Οι μικρές μαύρες τρύπες που άφησε πίσω της η Μεγάλη Έκρηξη μπορεί να είναι οι κύριοι ύποπτοι στη σκοτεινή ύλη
Όταν πρόκειται για τις αρχέγονες μαύρες τρύπες που θεωρούνται ύποπτες ως σκοτεινή ύλη, η δικαιολογία τους μπορεί να είναι έτοιμη να καταρρεύσει. Οι μικροσκοπικές μαύρες τρύπες, που σχηματίστηκαν δευτερόλεπτα μετά τη γέννηση του σύμπαντος, μπορεί να επιμείνουν για περισσότερο από το αναμενόμενο, εγείροντας νέες υποψίες ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να είναι υπεύθυνες για τη σκοτεινή ύλη, την πιο μυστηριώδη ουσία στο σύμπαν.
Η σκοτεινή ύλη αντιπροσωπεύει επί του παρόντος ένα από τα πιο πιεστικά προβλήματα στη φυσική. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι, αν και υπολογίζεται ότι αποτελεί το 85% της ύλης στο σύμπαν, η σκοτεινή ύλη παραμένει αόρατη στα μάτια μας επειδή δεν αλληλεπιδρά με το φως.
Δεδομένου ότι τα σωματίδια που αποτελούν τα άτομα που αποτελούν τα «συνηθισμένα» αντικείμενα που μπορούμε να δούμε, όπως αστέρια, πλανήτες και το δικό μας σώμα, αλληλεπιδρούν σαφώς με το φως, αυτό έχει προκαλέσει μια αναζήτηση για σωματίδια σκοτεινής ύλης εκτός του τυπικού μοντέλου σωματιδίου η φυσικη. Πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι η απάντηση βρίσκεται ακόμα στο Καθιερωμένο Μοντέλο, ωστόσο, αν κοιτάξουμε έναν μικρότερο ξάδελφο κοσμικών αντικειμένων, συνήθως τα βλέπουμε ως εξαιρετικά ογκώδη, ακόμη και τερατώδες: μαύρες τρύπες.
Σχετίζεται με: Μια νέα άποψη της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας στην καρδιά του Γαλαξία μας υποδηλώνει ένα συναρπαστικό κρυφό χαρακτηριστικό (εικόνα)
Επιστήμονας του Ινστιτούτου Μαξ Πλανκ Valentin Thos Και Anna Fernandez Alexander Από το Πανεπιστήμιο της Λισαβόνας δύο ερευνητές συμμετείχαν πρόσφατα σε τέτοιες μελέτες. Υποθέτουν ότι μικρές μαύρες τρύπες που προέκυψαν πριν από περισσότερα από 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, και δεν είναι μεγαλύτερες από ένα πρωτόνιο, θα μπορούσαν να έχουν συγχωνευθεί σε ύποπτους σκοτεινής ύλης χωρίς την ανάγκη νέας φυσικής.
Όχι μόνο η πρόσφατη αλλαγή στη σκέψη σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο «εξατμίστηκαν» οι μαύρες τρύπες οδήγησε σε μια επανεκτίμηση της βιωσιμότητας των αρχέγονων μαύρων οπών ως υποψία σκοτεινής ύλης, αλλά καθώς η αναζήτηση για σωματίδια σκοτεινής ύλης συνεχίζει να δημιουργεί ένα κυρίως κενό, θα μπορούσε να ξεκινήσει έως… Περισσότεροι ερευνητές εξετάζουν πιο σοβαρά τη θεωρία της αρχέγονης μαύρης τρύπας της σκοτεινής ύλης.
Τι είναι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες;
«Όπως υποδηλώνει το όνομα, οι αρχέγονες μαύρες τρύπες είναι ένας τύπος μαύρης τρύπας που σχηματίστηκε στην αρχή του σύμπαντος», είπε ο Thos στο Space.com. “Μέσα στο πρώτο κλάσμα του δευτερολέπτου του σύμπαντος, στην πραγματικότητα.”
Εξήγησε ότι όλες οι δομές που παρατηρούμε στο σύμπαν, από υπερσμήνη γαλαξιών έως γαλαξίες μέσα τους, σχηματίζονται από ελαφρά υπερβολική πυκνότητα στο διάστημα που υπήρχαν κατά την αρχή του σύμπαντος. Εάν το πρώιμο σύμπαν βίωσε διακυμάνσεις πυκνότητας πολύ ισχυρότερες από εκείνες που δημιούργησαν αυτά τα χαρακτηριστικά, και αυτές οι διακυμάνσεις κατέρρευσαν νωρίτερα από ό,τι σχηματίστηκαν οι γαλαξίες, αυτά τα εξαιρετικά πυκνά σημεία θα μπορούσαν να έχουν διεγείρει αρχέγονες μαύρες τρύπες.
Ανάλογα με το πότε συνέβη αυτή η κατάρρευση καθώς και το μέγεθος της κατάρρευσης, αυτές οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα έχουν πολύ διαφορετικές μάζες, πρόσθεσε ο Thos. Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες που θεωρούν οι Thos και Fernandez-Alexander ως πιθανοί υποψήφιοι για τη σκοτεινή ύλη θα είχαν μάζες από μερικούς τόνους έως χίλιους τόνους, για την ακρίβεια, που είναι μικρότερη από τη μάζα ενός πλανήτη και περισσότερο στην κατηγορία ενός μικρού αστεροειδής.
Δεδομένου ότι οι μικρότερες μαύρες τρύπες που έχουν ανακαλύψει οι επιστήμονες μέχρι στιγμής, γνωστές ως μαύρες τρύπες αστρικής μάζας, έχουν μάζες που ισοδυναμούν με 3 έως 50 φορές τη μάζα του Ήλιου – η οποία είναι η ίδια 2,2 φορές 10 προς την 27η δύναμη (22 ακολουθούμενες από 26 ). (Μηδέν) τόνοι – Αυτές οι αρχέγονες μαύρες τρύπες είναι απίστευτα μικρές.
Όπως οι αντίστοιχες μεγαλύτερες μαύρες τρύπες που σχηματίστηκαν είτε από την κατάρρευση μεγάλων αστεριών είτε από τη συγχώνευση σχετικά μικρότερων μαύρων τρυπών, σύμφωνα με τον Fernandez-Alexander, οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα είχαν ένα εξωτερικό όριο παγίδευσης φωτός που ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων. Η διάμετρος αυτού του ορίζοντα καθορίζεται από τη μάζα της μαύρης τρύπας, πράγμα που σημαίνει ότι ο ορίζοντας γεγονότων θα ήταν απίστευτα μικρός σε αυτές τις περιπτώσεις. «Μικρότερο από την ακτίνα ενός πρωτονίου», είπε ο Fernandez-Alexander.
Οι μικρές αρχέγονες μαύρες τρύπες αποκλείονταν προηγουμένως ως υποψήφιες για σκοτεινή ύλη, επειδή όλες οι μαύρες τρύπες πιστεύεται ότι «διαρρέουν» έναν τύπο θερμικής ακτινοβολίας που υποτέθηκε για πρώτη φορά από τον Stephen Hawking το 1974 και αργότερα ονομάστηκε «ακτινοβολία Hawking».
Όσο μικρότερη είναι η μαύρη τρύπα, τόσο πιο γρήγορα μπορεί να διαφύγει η ακτινοβολία Hawking και, επομένως, τόσο πιο γρήγορα πρέπει να εξατμιστεί. Αυτό σημαίνει ότι αν υπήρχαν καθόλου αρχέγονες μαύρες τρύπες, τα μικρότερα παραδείγματα δεν θα έπρεπε να υπάρχουν σήμερα, αλλά η σκοτεινή ύλη σαφώς υπάρχει.
«Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες με τις μάζες που μελετάμε τώρα η Άννα και εγώ θεωρούνταν προηγουμένως απίθανες επειδή εικαζόταν ότι είχαν εξατμιστεί τελείως μέχρι εκείνη τη στιγμή στο σύμπαν», είπε ο Θος.
Ωστόσο, πρόσφατη εργασία του György Dvali, ενός θεωρητικού φυσικού στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου που συνεργάστηκε με τον Thos και τον Fernandez-Alexander, πρότεινε ότι η διαδικασία της εξάτμισης διασπάται κάποια στιγμή. Αυτό σημαίνει ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες με τις μάζες που θεωρούν οι επιστήμονες θα μπορούσαν να φτάσουν σε μια σχεδόν σταθερή κατάσταση.
“Για να μειωθεί η μάζα της εκπέμποντας ακτινοβολία Hawking, η μαύρη τρύπα πρέπει να ξαναγράψει τις πληροφορίες της ή κάτι άλλο. Και αυτή η διαδικασία επανεγγραφής απαιτεί χρόνο”, εξήγησε ο Fernandez-Alexander. “Αυτό ονομάζεται “φόρτωση μνήμης” επειδή αυτή η μνήμη πρέπει τώρα να προχωρήσει σε κάτι άλλο και αυτό επιβραδύνει τη συνολική διαδικασία εξάτμισης. Άρα είναι ένα είδος σταθεροποίησης.”
Αυτός ο «μηχανισμός διάσωσης» σημαίνει ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες επιστρέφουν ως πιθανοί υποψήφιοι για τη σκοτεινή ύλη!
Ένας νεκρός κουδουνιστής για τη σκοτεινή ύλη;
Ωστόσο, το γεγονός ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες υπάρχουν σήμερα στο σύμπαν δεν σημαίνει αμέσως ότι πρέπει να θεωρούνται ύποπτες για τη σκοτεινή ύλη. Στην πραγματικότητα, υπάρχουν άλλοι λόγοι για να συνδέσουμε αυτές τις μικρές υποθετικές μαύρες τρύπες με το μυστηριώδες περιεχόμενο ύλης του σύμπαντος.
Ίσως η πιο προφανής σχέση είναι ότι η σκοτεινή ύλη δεν αλληλεπιδρά με το φως. Η σκοτεινή ύλη δεν εκπέμπει ούτε αντανακλά φως και ο ορίζοντας γεγονότων που συνορεύει με όλες τις μαύρες τρύπες σηματοδοτεί το σημείο στο οποίο η ταχύτητα διαφυγής που απαιτείται για να διασχίσει υπερβαίνει την ταχύτητα του φωτός. Αυτό σημαίνει ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα «παγίδευαν» όλο το προσπίπτον φως, με αποτέλεσμα μια φαινομενική έλλειψη αλληλεπιδράσεων.
«Αν είναι αρκετά ελαφριές, τότε κάπου γύρω από μια πλανητική μάζα, οι αρχέγονες μαύρες τρύπες συμπεριφέρονται σαν σωματίδια σκοτεινής ύλης για όλους τους σκοπούς που μας ενδιαφέρουν», είπε ο Thos. «Η σκοτεινή ύλη είναι «χωρίς σύγκρουση» στα τυπικά μοντέλα, επομένως τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους σε σημείο που να επηρεάζουν το σύμπαν».
Πρόσθεσε ότι αν οι αρχέγονες μαύρες τρύπες ήταν ελαφρύτερες από τις πλανητικές μάζες, θα ήταν, ακόμη και σε κοσμικές χρονικές κλίμακες, τόσο μικρές που σπάνια θα συγκρούονταν. Αυτές οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να συνδυαστούν για να δημιουργήσουν τα βαρυτικά αποτελέσματα που αποδίδουμε επί του παρόντος στη σκοτεινή ύλη, όπως η παροχή μιας βαρυτικής επιρροής που αποτρέπει την εκτόξευση των ταχέως περιστρεφόμενων γαλαξιών.
Ωστόσο, εάν οι αρχέγονες μαύρες τρύπες έπρεπε να συγκεντρωθούν για να εξηγήσουν τα αποτελέσματα της σκοτεινής ύλης, τι θα εμπόδιζε αυτές τις μαύρες τρύπες να συγκεντρωθούν και να συγχωνευθούν για να σχηματίσουν μεγαλύτερες μαύρες τρύπες; Δεν θα γινόταν τελικά ένα σωρό μικροσκοπικές μαύρες τρύπες απλώς μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα; Αυτό έχει διερευνηθεί και η απάντηση είναι απλά: “Όχι”, είπε ο Thos.
«Ακόμα κι αν λάβετε υπόψη τη συσσώρευση, οι χρονικές κλίμακες της συγχώνευσης είναι τόσο μεγάλες που θα συγχωνεύονταν μόνο σε πολύ τεράστιες μαύρες τρύπες σε όλη τη διάρκεια ζωής του σύμπαντος», συνέχισε.
Ο Thos πρόσθεσε ότι η ομορφιά της χρήσης αρχέγονων μαύρων οπών ως εξήγηση για τη σκοτεινή ύλη είναι ότι, σε αντίθεση με το να προτείνουμε ένα υποθετικό σωματίδιο όπως ο άξονας για να εξηγήσουμε το παζλ, οι αρχέγονες μαύρες τρύπες δεν απαιτούν επέκταση του τυπικού μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής. Η καλύτερη εξήγηση μας για το σύμπαν είναι σε υποατομικές κλίμακες.
Ωστόσο, θα ήταν πολύ δύσκολο να επιβεβαιωθούν οι αρχέγονες μαύρες τρύπες ως σκοτεινή ύλη, αν όντως εξηγούν αυτό το φαινόμενο. Και πάλι, η φύση τους που παγιδεύει το φως σημαίνει ότι είναι ουσιαστικά αόρατα. Επιπλέον, σε τόσο μικρά μεγέθη, δεν έχουν τα ίδια τεράστια βαρυτικά αποτελέσματα με τα αστρικά και υπερμεγέθη αδέρφια τους.
Ακόμη και τότε, αν ανακαλύφθηκε μια ομάδα αρχέγονων μαύρων τρυπών, δεν υπάρχει πραγματικός τρόπος να διακρίνει κανείς τη διαφορά μεταξύ πολλών μικρών μαύρων τρυπών και μιας μεγάλης μαύρης τρύπας.
Παρά αυτή τη δυσκολία, ο Thos και ο Fernandez-Alexander σκοπεύουν να παραμείνουν στην ουρά των αρχέγονων μαύρων τρυπών — τουλάχιστον θεωρητικά. Εάν οι υποψήφιοι για τη σκοτεινή ύλη συνεχίσουν να αποτυγχάνουν να αναδύονται, ίσως η απάντηση είναι να παρακινηθούν περισσότεροι φυσικοί να αρχίσουν να εξετάζουν το μεταφορικό φράχτη μεταξύ της σωματιδιακής φυσικής και της κοσμολογίας.
«Δεν μπορώ να πω ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες έχουν ποτέ αποκλειστεί ως υποψήφιες για τη σκοτεινή ύλη, αλλά έχουν αγνοηθεί για λίγο», είπε ο Fernandez-Alexander. «Τώρα, με το γεγονός ότι δεν έχουμε πραγματικά καμία ανίχνευση σωματιδιακής σκοτεινής ύλης, νομίζω ότι γίνεται όλο και πιο κατάλληλο να εξετάσουμε αυτήν την επιλογή».
“Ερασιτέχνης διοργανωτής. Εξαιρετικά ταπεινός web maven. Ειδικός κοινωνικών μέσων Wannabe. Δημιουργός. Thinker.”