Οι επιστήμονες ίσως βρήκαν απάντηση στο μυστήριο της σκοτεινής ύλης: Και προς έκπληξή τους εμπλέκεται ένα υποπροϊόν του πρώτου μισού του δευτερολέπτου της Μεγάλης Έκρηξης
Επί περίπου 50 χρόνια, η επιστημονική κοινότητα αντιμετωπίζει ένα καθοριστικό πρόβλημα: Δεν υπάρχει αρκετή ορατή ύλη στο σύμπαν.
Όλη η ύλη που μπορούμε να δούμε – αστέρια, πλανήτες, κοσμική σκόνη και όλα τα ενδιάμεσα – δεν μπορεί να εξηγήσουν γιατί το σύμπαν συμπεριφέρεται όπως συμπεριφέρεται και για να έχουν νόημα οι παρατηρήσεις των ερευνητών, θα πρέπει να υπήρχε πενταπλάσια ποσότητα ύλης, σύμφωνα με τη NASA .
Οι επιστήμονες την αποκαλούν σκοτεινή ύλη, επειδή δεν αλληλεπιδρά με το φως και είναι αόρατη.
Στη δεκαετία του 1970, οι Αμερικανοί αστρονόμοι Βέρα Ρούμπιν και Κεντ Φορντ επιβεβαίωσαν την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης παρατηρώντας αστέρια που περιφέρονται σε τροχιά στην άκρη των σπειροειδών γαλαξιών. Παρατήρησαν ότι αυτά τα αστέρια κινούνταν πολύ γρήγορα για να συγκρατηθούν μεταξύ τους από την ορατή ύλη του γαλαξία και τη βαρύτητά του — θα έπρεπε να είχαν πετάξει μακριά.
Η μόνη εξήγηση ήταν μια μεγάλη ποσότητα αόρατης ύλης, που συνέδεε τον γαλαξία.
«Αυτό που βλέπετε σε έναν σπειροειδή γαλαξία», είπε η Ρούμπιν εκείνη τη στιγμή, «δεν είναι αυτό που υπάρχει». Το έργο της βασίστηκε σε μια υπόθεση που διατυπώθηκε τη δεκαετία του 1930 από τον Ελβετό αστρονόμο Φριτς Ζβικι και ξεκίνησε μια αναζήτηση για την αόρατη ύλη.
- Από τότε, οι επιστήμονες προσπαθούν να παρατηρήσουν απευθείας τη σκοτεινή ύλη και μάλιστα κατασκεύασαν μεγάλες συσκευές για να την ανιχνεύσουν – αλλά μέχρι στιγμής, χωρίς επιτυχία.
Στην αρχή της έρευνας, ο διάσημος Βρετανός φυσικός Στίβεν Χόκινγκ υπέθεσε ότι η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να κρύβεται σε μαύρες τρύπες – το κύριο θέμα της εργασίας του – που σχηματίστηκαν κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης.
Τώρα, μια νέα μελέτη από ερευνητές του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης [ΜΙΤ] επανέφερε τη θεωρία στο προσκήνιο, αποκαλύπτοντας από τι δημιουργήθηκαν αυτές οι αρχέγονες μαύρες τρύπες και ανακαλύπτοντας ενδεχομένως έναν εντελώς νέο τύπο εξωτικής μαύρης τρύπας.
«Ήταν πραγματικά μια υπέροχη έκπληξη », είπε ο Ντέιβιντ Κέιζερ, ένας από τους συγγραφείς της μελέτης.
«Χρησιμοποιούσαμε τους περίφημους υπολογισμούς του Στίβεν Χόκινγκ για τις μαύρες τρύπες, ειδικά το σημαντικό του αποτέλεσμα σχετικά με την ακτινοβολία που εκπέμπουν οι μαύρες τρύπες», είπε ο Κειζερ. «Αυτές οι εξωτικές μαύρες τρύπες αναδύονται από την προσπάθεια αντιμετώπισης του προβλήματος της σκοτεινής ύλης – είναι ένα υποπροϊόν της εξήγησης της σκοτεινής ύλης».
Το πρώτο μισό του δευτερολέπτου
Οι επιστήμονες έχουν κάνει πολλές εικασίες για το τι θα μπορούσε να είναι η σκοτεινή ύλη, που κυμαίνονται από άγνωστα σωματίδια έως επιπλέον διαστάσεις. Αλλά η θεωρία των μαύρων τρυπών του Χόκινγκ μπήκε στο παιχνίδι μόλις πρόσφατα.
«Οι άνθρωποι δεν το έπαιρναν στα σοβαρά μέχρι πριν από ίσως 10 χρόνια», είπε η συν-συγγραφέας της μελέτης Έλμπα Αλόνσο – Μονσάλβε, μεταπτυχιακή φοιτήτρια του MIT. «Και αυτό συμβαίνει επειδή οι μαύρες τρύπες κάποτε φαίνονταν πραγματικά άπιαστες – στις αρχές του 20ου αιώνα, οι άνθρωποι πίστευαν ότι ήταν απλώς ένα μαθηματικό διασκεδαστικό γεγονός, τίποτα φυσικό».
- Γνωρίζουμε τώρα ότι σχεδόν κάθε γαλαξίας έχει μια μαύρη τρύπα στο κέντρο του και η ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων του Αϊνστάιν που δημιουργήθηκαν από τις μαύρες τρύπες το 2015 από τους ερευνητές – ένα ορόσημο – κατέστησε σαφές ότι βρίσκονται παντού.
«Στην πραγματικότητα, το σύμπαν βρίθει από μαύρες τρύπες», είπε η Αλόνσο Μονσάλβε «Αλλά το σωματίδιο της σκοτεινής ύλης δεν έχει βρεθεί, παρόλο που οι άνθρωποι έψαξαν σε όλα τα μέρη όπου περίμεναν να το βρουν. Αυτό δεν σημαίνει ότι η σκοτεινή ύλη δεν είναι σωματίδιο ή ότι είναι σίγουρα μαύρες τρύπες. Θα μπορούσε να είναι ένας συνδυασμός και των δύο. Αλλά τώρα, οι μαύρες τρύπες ως υποψήφιες για σκοτεινή ύλη λαμβάνονται πολύ πιο σοβαρά».
Άλλες πρόσφατες μελέτες επιβεβαίωσαν την εγκυρότητα της υπόθεσης του Χόκινγκ, αλλά η πρόσφατη εργασία της Αλόνσο-Μονσάλβε και του Κέιζερ, καθηγητή φυσικής και της Ιστορίας της Επιστήμης στο MIT, πηγαίνει ένα βήμα παραπέρα και εξετάζει τι ακριβώς συνέβη όταν σχηματίστηκαν για πρώτη φορά οι αρχέγονος μαύρος τρύπες .
Η μελέτη , η οποία δημοσιεύτηκε στις 6 Ιουνίου στο περιοδικό Physical Review Letters, αποκαλύπτει ότι αυτές οι μαύρες τρύπες πρέπει να εμφανίστηκαν στο πρώτο μισό του δευτερολέπτου της Μεγάλης Έκρηξης:
«Είναι πολύ νωρίς και πολύ νωρίτερα από τη στιγμή που τα πρωτόνια και τα νετρόνια , τα σωματίδια από τα οποία είναι φτιαγμένα τα πάντα, σχηματίστηκαν», είπε η Αλόνσο – Μονσάλβε.
Στον καθημερινό μας κόσμο, δεν μπορούμε να βρούμε πρωτόνια και νετρόνια σπασμένα, πρόσθεσε, και λειτουργούν ως στοιχειώδη σωματίδια. Ωστόσο, γνωρίζουμε ότι δεν είναι, επειδή αποτελούνται από ακόμη μικρότερα σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ, ενωμένα μεταξύ τους με άλλα σωματίδια που ονομάζονται γκλουόνια.
- «Δεν μπορείτε να βρείτε κουάρκ και γκλουόνια μόνα και ελεύθερα στο σύμπαν τώρα, γιατί είναι πολύ κρύο», πρόσθεσε . «Αλλά νωρίς στη Μεγάλη Εκρηξη, όταν έκανε πολλή ζέστη, μπορούσαν να βρεθούν μόνα και ελεύθερα Έτσι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες σχηματίστηκαν απορροφώντας ελεύθερα κουάρκ και γκλουόνια».
Ένας τέτοιος σχηματισμός θα τις έκανε θεμελιωδώς διαφορετικές από τις αστροφυσικές μαύρες τρύπες που παρατηρούν συνήθως οι επιστήμονες στο σύμπαν, οι οποίες είναι το αποτέλεσμα της κατάρρευσης των αστεριών.
Επίσης, μια αρχέγονη μαύρη τρύπα θα ήταν πολύ μικρότερη – μόνο η μάζα ενός αστεροειδούς, κατά μέσο όρο, συμπυκνώθηκε στον όγκο ενός μόνο ατόμου. Αλλά αν ένας επαρκής αριθμός από αυτές τις αρχέγονες μαύρες τρύπες δεν εξατμιζόταν στην πρώιμη Μεγάλη Έκρηξη και επιβίωσε μέχρι σήμερα, θα μπορούσαν να αποτελούν το σύνολο ή την περισσότερη σκοτεινή ύλη.
Μια μακροχρόνια υπογραφή
Κατά τη διάρκεια του σχηματισμού των αρχέγονων μαύρων οπών, ένας άλλος τύπος μαύρης τρύπας που δεν είχε παρατηρηθεί προηγουμένως πρέπει να είχε σχηματιστεί ως ένα είδος υποπροϊόντος, σύμφωνα με τη μελέτη. Θα πρέπει να ήταν ακόμη μικρότερες – ακριβώς η μάζα ενός ρινόκερου , συμπυκνωμένες σε λιγότερο από τον όγκο ενός πρωτονίου.
Αυτές οι μικροσκοπικές μαύρες τρύπες, λόγω του μικρού τους μεγέθους, θα μπορούσαν να πάρουν μια σπάνια και εξωτική ιδιότητα από τη «σούπα» κουάρκ-γκλουονίων στην οποία σχηματίστηκαν, που ονομάζεται «χρωματικό φορτίο». Είναι μια κατάσταση φορτίου που είναι αποκλειστική για τα κουάρκ και τα γκλουόνια, που δεν βρέθηκε ποτέ σε συνηθισμένα αντικείμενα, είπε ο Κέιζερ.
Αυτό το χρωματικό φορτίο θα τις έκανε μοναδικές ανάμεσα στις μαύρες τρύπες, οι οποίες συνήθως δεν έχουν κανένα είδος φορτίου.
«Είναι αναπόφευκτο ότι αυτές οι ακόμη μικρότερες μαύρες τρύπες θα είχαν επίσης σχηματιστεί, ως υποπροϊόν (του σχηματισμού των αρχέγονων μαύρων τρυπών),» είπε η Αλόνσο – Μονσάλβε, «αλλά δεν θα υπήρχαν πια σήμερα, καθώς θα είχαν ήδη εξατμιστεί».
- Ωστόσο, αν βρίσκονταν ακόμα περίπου στα δέκα εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου στη Μεγάλη Έκρηξη, όταν σχηματίστηκαν τα πρωτόνια και τα νετρόνια, θα μπορούσαν να είχαν αφήσει παρατηρήσιμες υπογραφές αλλάζοντας την ισορροπία μεταξύ των δύο τύπων σωματιδίων.
«Η ισορροπία του πόσα πρωτόνια και πόσα νετρόνια κατασκευάστηκαν είναι πολύ λεπτή και εξαρτάται από το τι άλλο υλικό υπήρχε στο σύμπαν εκείνη την εποχή. Εάν αυτές οι μαύρες τρύπες με έγχρωμο φορτίο εξακολουθούσαν να υπάρχουν, θα μπορούσαν να είχαν αλλάξει την ισορροπία μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων (υπέρ του ενός ή του άλλου), αρκεί να το μετρήσουμε στα επόμενα χρόνια», πρόσθεσε.
Η μέτρηση θα μπορούσε να προέλθει από τηλεσκόπια με βάση τη Γη ή ευαίσθητα όργανα σε δορυφόρους σε τροχιά, είπε ο Κέιζερ. Αλλά θα μπορούσε να υπάρχει άλλος τρόπος για να επιβεβαιωθεί η ύπαρξη αυτών των εξωτικών μαύρων τρυπών, πρόσθεσε.
«Η δημιουργία ενός πληθυσμού από μαύρες τρύπες είναι μια πολύ βίαιη διαδικασία που θα έστελνε τεράστιους κυματισμούς στον περιβάλλοντα χωροχρόνο. Αυτά θα εξασθενούσαν κατά την κοσμική ιστορία, αλλά όχι στο μηδέν», είπε ο Κάιζερ.
- «Η επόμενη γενιά βαρυτικών ανιχνευτών θα μπορούσε να ρίξει μια ματιά στις μαύρες τρύπες μικρής μάζας – μια εξωτική κατάσταση ύλης που ήταν ένα απροσδόκητο υποπροϊόν των πιο κοσμικών μαύρων οπών που θα μπορούσαν να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη σήμερα».
Πολλές μορφές σκοτεινής ύλης
Τι σημαίνει αυτό για τα πειράματα που βρίσκονται σε εξέλιξη και προσπαθούν να ανιχνεύσουν τη σκοτεινή ύλη, όπως το πείραμα της σκοτεινής ύλης LZ στη Νότια Ντακότα;
«Η ιδέα ότι υπάρχουν εξωτικά νέα σωματίδια παραμένει μια ενδιαφέρουσα υπόθεση», είπε ο Κέιζερ. «Υπάρχουν και άλλα είδη μεγάλων πειραμάτων, μερικά από τα οποία είναι υπό διαμόρφωση, αναζητώντας τρόπους ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων. Και αυτοί πράγματι μπορεί να πάρουν μερικά από τα αδέσποτα σήματα από την πολύ βίαιη διαδικασία σχηματισμού των αρχέγονων μαύρων τρυπών».
Υπάρχει επίσης η πιθανότητα οι αρχέγονες μαύρες τρύπες να είναι μόνο ένα κλάσμα της σκοτεινής ύλης, πρόσθεσε ο Αλόνσο -Μονσάλβε.
«Δεν χρειάζεται να είναι πραγματικά το ίδιο», είπε. «Υπάρχει πέντε φορές περισσότερη σκοτεινή ύλη από την κανονική ύλη και η κανονική ύλη σχηματίζεται από μια ολόκληρη σειρά διαφορετικών σωματιδίων. Γιατί λοιπόν η σκοτεινή ύλη να είναι ένας μοναδικός τύπος αντικειμένου;»
Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες έχουν ανακτήσει τη δημοτικότητά τους με την ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων, ωστόσο δεν είναι γνωστά πολλά για τον σχηματισμό τους, σύμφωνα με τον Νίκο Καπελούτι, επίκουρο καθηγητή στο τμήμα φυσικής του Πανεπιστημίου του Μαϊάμι.
«Αυτό το έργο είναι μια ενδιαφέρουσα, βιώσιμη επιλογή για την εξήγηση της άπιαστης σκοτεινής ύλης», είπε ο Καπελούτι.
Η μελέτη είναι συναρπαστική και προτείνει έναν νέο μηχανισμό σχηματισμού για την πρώτη γενιά μαύρων τρυπών, δήλωσε ο Priyamvada Natarajan, ο Joseph S. και η Sophia S. Fruton Καθηγητής Αστρονομίας και Φυσικής στο Πανεπιστήμιο Yale.
«Όλο το υδρογόνο και το ήλιο που έχουμε στο σύμπαν μας σήμερα δημιουργήθηκε στα πρώτα τρία λεπτά και αν υπήρχαν αρκετές από αυτές τις αρχέγονες μαύρες τρύπες μέχρι τότε, θα είχαν επηρεάσει αυτή τη διαδικασία και αυτά τα φαινόμενα μπορεί να είναι ανιχνεύσιμα», είπε ο Natarajan. .
«Το γεγονός ότι αυτή είναι μια παρατηρητικά ελεγχόμενη υπόθεση είναι αυτό που βρίσκω πραγματικά συναρπαστικό, εκτός από το γεγονός ότι αυτό υποδηλώνει ότι η φύση πιθανότατα δημιουργεί μαύρες τρύπες ξεκινώντας από τους πρώτους χρόνους μέσω πολλαπλών μονοπατιών».
Πηγή: hellasjournal.com
