Εδώ και περίπου 50 χρόνια, η επιστημονική κοινότητα παλεύει με ένα ουσιαστικό 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 εξηγήσει γιατί το σύμπαν συμπεριφέρεται όπως συμπεριφέρεται, ενώ πρέπει να υπάρχει πέντε φορές περισσότερη ύλη για να βγάλουν νόημα οι παρατηρήσεις των ερευνητών, 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 Vera Rubin και W. Kent Ford επιβεβαίωσαν την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης εξετάζοντας αστέρια που περιφέρονταν στην άκρη σπειροειδών γαλαξιών. Παρατήρησαν ότι αυτά τα αστέρια κινούνταν πολύ γρήγορα για να συγκρατούνται από την ορατή ύλη του γαλαξία και τη βαρύτητά του – αντίθετα, θα έπρεπε να πετάνε χώρια. Η μόνη εξήγηση ήταν μια μεγάλη ποσότητα αόρατης ύλης, που συνέδεε τον γαλαξία.

«Αυτό που βλέπετε σε έναν σπειροειδή γαλαξία», είπε τότε η Rubin, «δεν είναι αυτό που νομίζετε». Η εργασία της βασίστηκε σε μια υπόθεση που διατυπώθηκε τη δεκαετία του 1930 από τον Ελβετό αστρονόμο Fritz Zwicky και έδωσε το έναυσμα για την αναζήτηση της ασύλληπτης αυτής ουσίας.

Science Το κοσμικό «χέρι του Θεού» αγγίζει την εκθαμβωτική ομορφιά του σύμπαντος

Έκτοτε, οι επιστήμονες προσπαθούν να παρατηρήσουν άμεσα τη σκοτεινή ύλη και μάλιστα κατασκεύασαν μεγάλες συσκευές για την ανίχνευσή της – αλλά μέχρι στιγμής, χωρίς επιτυχία.

Στην αρχή των ερευνών, ο διάσημος Βρετανός φυσικός Stephen Hawking διατύπωσε την άποψη ότι η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να κρύβεται στις μαύρες τρύπες – το κύριο αντικείμενο του έργου του – που σχηματίστηκαν κατά τη διάρκεια της μεγάλης έκρηξης.

Τώρα, μια νέα μελέτη από ερευνητές του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης έφερε τη θεωρία ξανά στο προσκήνιο, αποκαλύπτοντας από τι ήταν φτιαγμένες αυτές οι αρχέγονες μαύρες τρύπες και ανακαλύπτοντας ενδεχομένως έναν εντελώς νέο τύπο εξωτικής μαύρης τρύπας στη διαδικασία.

«Ήταν πραγματικά μια υπέροχη έκπληξη», δήλωσε ο David Kaiser, ένας από τους συγγραφείς της μελέτης.

«Κάναμε χρήση των διάσημων υπολογισμών του Stephen Hawking για τις μαύρες τρύπες, ειδικά το σημαντικό του αποτέλεσμα σχετικά με την ακτινοβολία που εκπέμπουν οι μαύρες τρύπες» δήλωσε ο Kaiser. «Αυτές οι εξωτικές μαύρες τρύπες προκύπτουν από την προσπάθεια αντιμετώπισης του προβλήματος της σκοτεινής ύλης – είναι ένα υποπροϊόν της εξήγησης της σκοτεινής ύλης» είπε.

Το πρώτο χιλιοστό του δευτερολέπτου

Οι επιστήμονες έχουν κάνει πολλές εικασίες για το τι θα μπορούσε να είναι η σκοτεινή ύλη, από άγνωστα σωματίδια μέχρι επιπλέον διαστάσεις. Αλλά η θεωρία της μαύρης τρύπας του Hawking έχει μόλις πρόσφατα μπει στο παιχνίδι.

«Οι άνθρωποι δεν την έπαιρναν πραγματικά στα σοβαρά μέχρι πριν από περίπου 10 χρόνια», δήλωσε η συν-συγγραφέας της μελέτης Elba Alonso-Monsalve, μεταπτυχιακή φοιτήτρια του MIT. «Και αυτό επειδή οι μαύρες τρύπες κάποτε φαίνονταν πραγματικά άπιαστες – στις αρχές του 20ού αιώνα, οι άνθρωποι πίστευαν ότι ήταν απλώς ένα μαθηματικό διασκεδαστικό γεγονός, τίποτα φυσικό».

Γνωρίζουμε πλέον ότι σχεδόν κάθε γαλαξίας έχει μια μαύρη τρύπα στο κέντρο του και η ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων του Αϊνστάιν που δημιουργήθηκαν από συγκρουόμενες μαύρες τρύπες το 2015 – ένα εύρημα-ορόσημο – κατέστησε σαφές ότι υπάρχουν παντού.

«Στην πραγματικότητα, το σύμπαν βρίθει από μαύρες τρύπες» δήλωσε η Alonso-Monsalve. «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 υποψήφιοι για τη σκοτεινή ύλη λαμβάνονται πολύ πιο σοβαρά υπόψη».

Ένα βήμα πιο πέρα

Άλλες πρόσφατες μελέτες έχουν επιβεβαιώσει την εγκυρότητα της υπόθεσης του Hawking, αλλά το έργο των Alonso-Monsalve και Kaiser, καθηγητή φυσικής και καθηγητή Ιστορίας της Επιστήμης στο MIT, πηγαίνει ένα βήμα παραπέρα και εξετάζει τι ακριβώς συνέβη όταν σχηματίστηκαν οι αρχέγονες μαύρες τρύπες.

Αυτή όμως η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στις 6 Ιουνίου στο περιοδικό Physical Review Letters, αποκαλύπτει ότι αυτές οι μαύρες τρύπες πρέπει να εμφανίστηκαν στο πρώτο πεντηκοσιοστό του δευτερολέπτου της μεγάλης έκρηξης: «Αυτό συμβαίνει πολύ νωρίτερα από τη στιγμή που σχηματίστηκαν τα πρωτόνια και τα νετρόνια, τα σωματίδια από τα οποία είναι φτιαγμένα τα πάντα γύρω μας», δήλωσε η Alonso-Monsalve.

Στον καθημερινό μας κόσμο, δεν μπορούμε να βρούμε πρωτόνια και νετρόνια διασπασμένα, πρόσθεσε, και δρουν ως στοιχειώδη σωματίδια. Ωστόσο, γνωρίζουμε ότι δεν είναι, επειδή αποτελούνται από ακόμη μικρότερα σωματίδια που ονομάζονται quarks (κουάρκ), τα οποία ενώνονται μεταξύ τους με άλλα σωματίδια που ονομάζονται gluons (γκλουόνια).

«Δεν μπορείτε να βρείτε quarks και gluons μόνα τους και ελεύθερα στο σύμπαν τώρα, επειδή είναι πολύ κρύο το περιβάλλον», πρόσθεσε η Alonso-Monsalve «αλλά στις αρχές της μεγάλης έκρηξης, όταν ήταν πολύ ζεστά, μπορούσαν να βρεθούν μόνα τους και ελεύθερα. Έτσι, οι αρχέγονες μαύρες τρύπες σχηματίστηκαν απορροφώντας ελεύθερα quarks και gluons. Αν όμως ένας ικανός αριθμός από αυτές τις αρχέγονες μαύρες τρύπες δεν εξατμίστηκαν κατά την πρώιμη μεγάλη έκρηξη και επιβίωσαν μέχρι σήμερα, θα μπορούσαν να εξηγήσουν το σύνολο ή το μεγαλύτερο μέρος της σκοτεινής ύλης.

Κατά τη διάρκεια της δημιουργίας των αρχέγονων μαύρων τρυπών, ένας άλλος τύπος αθέατης μέχρι τότε μαύρης τρύπας πρέπει να σχηματίστηκε ως ένα είδος υποπροϊόντος, σύμφωνα με τη μελέτη. Αυτές οι τρύπες θα ήταν ακόμη μικρότερες, συμπυκνωμένες σε λιγότερο όγκο από τον όγκο ενός πρωτονίου.

Διαβασε ακομα

Οι μυστηριώδεις πλανήτες που οι επιστήμονες δεν μπορούν να εξηγήσουν την ύπαρξή τους

Αυτές οι μικροσκοπικές μαύρες τρύπες, λόγω του μικρού τους μεγέθους, θα μπορούσαν να πάρουν μια σπάνια και εξωτική ιδιότητα από τον συνδυασμό κουάρκ-γκλουονίων από τον οποίο σχηματίστηκαν, που ονομάζεται «χρωματικό φορτίο». Πρόκειται για μια κατάσταση φορτίου που αφορά αποκλειστικά τα κουάρκ και τα γκλουόνια και δεν απαντάται ποτέ σε συνηθισμένα αντικείμενα, δήλωσε ο Kaiser.

Αυτό το χρωματικό φορτίο θα τις έκανε μοναδικές ανάμεσα στις μαύρες τρύπες, οι οποίες συνήθως δεν έχουν κανενός είδους φορτίο. «Είναι αναπόφευκτο ότι αυτές οι ακόμη μικρότερες μαύρες τρύπες θα είχαν επίσης σχηματιστεί, ως υποπροϊόν του σχηματισμού των αρχέγονων μαύρων τρυπών» δήλωσε η Alonso-Monsalve, «αλλά δεν θα υπήρχαν πια σήμερα, καθώς θα είχαν ήδη εξατμιστεί».

Ωστόσο, αν εξακολουθούσαν να υπάρχουν μόλις δέκα εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου μετά τη μεγάλη έκρηξη, όταν σχηματίστηκαν τα πρωτόνια και τα νετρόνια, θα μπορούσαν να έχουν αφήσει σημάδια, αλλάζοντας την ισορροπία μεταξύ των δύο τύπων σωματιδίων.

«Η ισορροπία του πόσα πρωτόνια και πόσα νετρόνια δημιουργήθηκαν είναι πολύ λεπτή και εξαρτάται από το τι άλλα πράγματα υπήρχαν στο σύμπαν εκείνη τη στιγμή. Αν αυτές οι μαύρες τρύπες με το χρωματικό φορτίο υπήρχαν ακόμα, θα μπορούσαν να έχουν μετατοπίσει την ισορροπία μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων (υπέρ του ενός ή του άλλου), τόσο ώστε τα επόμενα χρόνια να μπορέσουμε να το μετρήσουμε» πρόσθεσε.

Η μέτρηση θα μπορούσε να προέλθει από γήινα τηλεσκόπια ή από ευαίσθητα όργανα σε δορυφόρους σε τροχιά, δήλωσε ο Kaiser. Αλλά θα μπορούσε να υπάρξει κι άλλος τρόπος επιβεβαίωσης της ύπαρξης αυτών των εξωτικών μαύρων τρυπών, πρόσθεσε.

«Η δημιουργία ενός πληθυσμού μαύρων τρυπών είναι μια πολύ βίαιη διαδικασία που θα προκαλούσε τεράστιους κυματισμούς στον περιβάλλοντα χωροχρόνο. Αυτές θα εξασθενήσουν με την κοσμική ιστορία, αλλά δεν θα φτάσουν στο μηδέν», δήλωσε ο Kaiser. «Η επόμενη γενιά ανιχνευτών βαρύτητας θα μπορούσε να ρίξει μια ματιά στις μαύρες τρύπες μικρής μάζας – την εξωτική αυτή κατάσταση της ύλης που ήταν ένα απροσδόκητο υποπροϊόν των πιο γήινων μαύρων οπών που θα μπορούσαν να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη σήμερα».

Πολλές μορφές σκοτεινής ύλης

Τι σημαίνει αυτό για τα τρέχοντα πειράματα που προσπαθούν να ανιχνεύσουν τη σκοτεινή ύλη, όπως το πείραμα LZ Dark Matter Experiment στη Νότια Ντακότα;

«Η ιδέα ότι υπάρχουν εξωτικά νέα σωματίδια παραμένει μια ενδιαφέρουσα υπόθεση» δήλωσε ο Kaiser. «Υπάρχουν άλλου είδους μεγάλα πειράματα, ορισμένα από τα οποία βρίσκονται υπό κατασκευή, που αναζητούν τρόπους για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Κι αυτά πράγματι θα μπορούσαν να πιάσουν κάποια από τα αδέσποτα σήματα από την πολύ βίαιη διαδικασία σχηματισμού των αρχέγονων μαύρων τρυπών».

Science 33 φορές το μέγεθος του Ήλιου! Εντοπίστηκε κοντά στη Γη η μεγαλύτερη αστρική μαύρη τρύπα του Γαλαξία

Υπάρχει επίσης η πιθανότητα οι αρχέγονες μαύρες τρύπες να είναι μόνο ένα κλάσμα της σκοτεινής ύλης, πρόσθεσε η Alonso-Monsalve. «Δεν είναι απαραίτητο να είναι όλα τα ίδια» είπε. «Υπάρχει πέντε φορές περισσότερη σκοτεινή ύλη από την κανονική ύλη, και η κανονική ύλη σχηματίζεται από ένα πλήθος διαφορετικών σωματιδίων. Γιατί λοιπόν η σκοτεινή ύλη να είναι ένας μόνο τύπος αντικειμένου;» διερωτήθηκε.

Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες έχουν ανακτήσει τη δημοτικότητά τους με την ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων, ωστόσο δεν γνωρίζουμε πολλά για τον σχηματισμό τους, σύμφωνα με τον Nico Cappelluti, επίκουρο καθηγητή στο τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου του Μαϊάμι.

«Αυτή η εργασία είναι μια ενδιαφέρουσα, βιώσιμη επιλογή για την εξήγηση της ασύλληπτης σκοτεινής ύλης» δήλωσε ο Cappelluti.

Η μελέτη είναι συναρπαστική και προτείνει έναν νέο μηχανισμό σχηματισμού για την πρώτη γενιά μαύρων οπών, δήλωσε ο Priyamvada Natarajan, καθηγητής Αστρονομίας και Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Yale.

«Όλο το υδρογόνο και το ήλιο που έχουμε σήμερα στο σύμπαν μας δημιουργήθηκε στα πρώτα τρία λεπτά, κι αν αρκετές από αυτές τις αρχέγονες μαύρες τρύπες υπήρχαν μέχρι τότε, θα είχαν επηρεάσει αυτή τη διαδικασία και αυτές οι επιπτώσεις μπορεί να είναι ανιχνεύσιμες» δήλωσε ο Natarajan.

«Το γεγονός ότι αυτή είναι μια υπόθεση που μπορεί να ελεγχθεί με βάση την παρατήρηση είναι αυτό που βρίσκω πραγματικά συναρπαστικό, πέρα από το γεγονός ότι αυτό υποδηλώνει ότι η φύση πιθανότατα δημιουργεί μαύρες τρύπες ξεκινώντας από τους πρώτους χρόνους μέσω πολλαπλών μονοπατιών».

Με πληροφορίες από CNN