Οι γαλαξίες συγχωνεύονται σε όλο και μεγαλύτερες δομές κατά τη διάρκεια της κοσμικής ιστορίας. Όταν οι γαλαξίες συγχωνεύονται, οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που βρίσκονται στα κέντρα τους πρέπει τελικά να συγχωνευθούν επίσης, σχηματίζοντας μια ακόμα πιο γιγαντιαία μαύρη τρύπα.

Εδώ και δεκαετίες, όμως, ένα ερώτημα απασχολεί τους αστροφυσικούς: Πώς μπορούν οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες να πλησιάσουν αρκετά ώστε να ενωθούν σπειροειδώς και να συγχωνευθούν; Στους υπολογισμούς, όταν οι συγκλίνουσες τρύπες φτάνουν στο λεγόμενο τελικό παρσέκ-μια απόσταση περίπου ενός παρσέκ ή 3,26 έτη φωτός- η πρόοδός τους σταματά. Ουσιαστικά θα πρέπει να περιφέρονται η μία γύρω από την άλλη επ’ αόριστον.

«Θεωρούνταν ότι οι χρόνοι εντός σπείρας θα μπορούσαν να είναι τόσο μεγάλοι όσο … η ηλικία του σύμπαντος», δήλωσε ο Stephen Taylor, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Vanderbilt. «Οι άνθρωποι ανησυχούσαν ότι μπορεί να μην είχαμε συγχωνευμένες μαύρες τρύπες».

Έχουν συγκεντρωθεί στοιχεία που αποδεικνύουν ότι πράγματι συγχωνεύονται. Πέρυσι, οι παρατηρήσεις των ανεπαίσθητων κινήσεων των παλλόμενων άστρων, γνωστές ως συστοιχία χρονομέτρησης πάλσαρ, αποκάλυψαν ένα υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων στο σύμπαν – σχισμές στον ιστό του χωροχρόνου.

Αυτά τα βαρυτικά κύματα προέρχονται πιθανότατα από σφιχτά περιστρεφόμενες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που βρίσκονται σε απόσταση ενός παρσέκ η μία από την άλλη και είναι κοντά στη συγχώνευση. «Αυτή ήταν η πρώτη μας απόδειξη ότι οι δυαδικές μαύρες τρύπες ξεπερνούν το πρόβλημα του τελικού παρσέκ», δήλωσε η Laura Blecha, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Φλόριντα.

Πώς τα καταφέρνουν λοιπόν;

Οι αστροφυσικοί έχουν μια νέα πρόταση: Η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να απορροφήσει τη στροφορμή από τις δύο μαύρες τρύπες και να τις σπρώξει πιο κοντά.

Σκοτεινή ύλη είναι ο όρος για το ανεξερεύνητο 85% της ύλης στο σύμπαν. Μπορούμε να δούμε τις βαρυτικές επιδράσεις της στους γαλαξίες και την κοσμική δομή, αλλά προς το παρόν δεν μπορούμε να καταλάβουμε τι είναι.

Διαβασε ακομα

Λύθηκε το μυστήριο κοσμικής δολοφονίας μετά από 37 χρόνια

Τα απλούστερα υποθετικά σωματίδια που θα μπορούσαν να αποτελούν αυτήν την αόρατη μορφή ύλης δεν θα βοηθούσαν καθόλου στη διευκόλυνση των συγχωνεύσεων μαύρων τρυπών.

Όμως αυτό το καλοκαίρι, μια ομάδα φυσικών στον Καναδά υποστήριξε ότι κάτι πιο σύνθετο που ονομάζεται αυτοεπιδρώσα σκοτεινή ύλη θα μπορούσε. Τα σωματίδια αυτά θα μπορούσαν να έλξουν τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες αρκετά ώστε να τις ρίξουν σε απόσταση ενός παρσέκ μεταξύ τους.

Αν αυτή η εξήγηση είναι σωστή, «θα μας πει ότι η σκοτεινή ύλη δεν είναι τόσο απλή όσο νομίζαμε», δήλωσε ο Gonzalo Alonso-Álvarez, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο και ένας από τους συγγραφείς.

Στη συνέχεια, τον Σεπτέμβριο, μια ξεχωριστή ομάδα φυσικών επεσήμανε ότι ένας άλλος υποψήφιος για σκοτεινή ύλη που μερικές φορές αποκαλείται ασαφής σκοτεινή ύλη θα μπορούσε επίσης να κάνει το κόλπο.

Με την πάροδο των χρόνων έχουν επίσης δοθεί πιο πεζές λύσεις. Μέσα σε αυτή την πληθώρα επιλογών – μερικές πεζές, μερικές ιδιαίτερες – οι επιστήμονες επινοούν τρόπους για να δοκιμάσουν τις πιθανότητες μεταξύ τους.

«Το μεγαλύτερο μέρος της κοινότητας θεωρεί σχεδόν δεδομένο σε αυτό το σημείο ότι το πρόβλημα του τελικού παρσέκ έχει λυθεί», δήλωσε ο Sean McWilliams, θεωρητικός αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Δυτικής Βιρτζίνια, ο οποίος έχει μελετήσει διάφορες λύσεις του προβλήματος. «Το μόνο ερώτημα είναι: Ποιο είναι το πιο αποτελεσματικό πράγμα που το λύνει;»

Διαβασε ακομα

Οι μαύρες τρύπες έχουν ακόμη πολλά μυστικά. Μόλις αποκαλύφθηκε το πιο εντυπωσιακό

Χρειάζονται δύο για να χορέψουν ταγκό

Μικρές μαύρες τρύπες -αντικείμενα μεγέθους αστέρα, τόσο πυκνά ώστε η βαρύτητά τους να παγιδεύει οτιδήποτε πλησιάζει πολύ κοντά τους, ακόμα και το φως- βρίσκονται διάσπαρτες σε όλους τους γαλαξίες.

Σχηματίζονται από τη βαρυτική κατάρρευση μεμονωμένων άστρων. Αλλά οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που βρίσκονται στα κέντρα των γαλαξιών, οι οποίες μπορεί να είναι τόσο βαριές όσο δισεκατομμύρια Ήλιοι, είναι πιο μυστηριώδεις και με μεγαλύτερη επιρροή. Καθοδηγούν με κάποιο τρόπο το σχηματισμό και την εξέλιξη του γαλαξία γύρω τους.

Όταν δύο γαλαξίες συγχωνεύονται, οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις με τα αστέρια, το αέριο και τη σκοτεινή ύλη προκαλούν την αργή πτώση των δύο υπερμεγέθων μαύρων τρυπών τη μία προς την κατεύθυνση της άλλης.

Οι αστροφυσικοί περιέγραψαν για πρώτη φορά αυτή τη διαδικασία, που ονομάζεται δυναμική τριβή, το 1980. «Θεωρείται ότι αυτός είναι ο κύριος τρόπος με τον οποίο οι μαύρες τρύπες πλησιάζουν», δήλωσε ο Dan Hooper, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin, στο Madison.

Σε ένα ορισμένο σημείο, ωστόσο – τεχνικά κυμαίνεται από ένα κλάσμα ενός παρσέκ έως μερικά παρσέκ, ανάλογα με τις μάζες των μαύρων τρυπών – η δυναμική τριβή «αποδεικνύεται ότι παύει να είναι πολύ αποτελεσματική», δήλωσε ο Hooper.

Εδώ, στο κέντρο των συνενωμένων γαλαξιών, οι δύο μαύρες τρύπες τρώνε υλικό και το εκσφενδονίζουν, δημιουργώντας ένα κενό. Ως αποτέλεσμα, η πυκνότητα των άστρων και του αερίου πέφτει δραματικά, αφήνοντας τις μαύρες τρύπες σε σχετικά κενό χώρο. Χωρίς υλικό γύρω τους για να τις επιβραδύνει, θα έπρεπε τότε να περιφέρονται η μία γύρω από την άλλη σχεδόν ατελείωτα.

Διαβασε ακομα

Σε κίνδυνο η Γη; Μαύρη τρύπα 1 εκατ. φορές μεγαλύτερη από τον Ήλιο ξύπνησε ξαφνικά

«Η Γη περιστρέφεται γύρω από τον ήλιο και δεν πέφτουμε ο ένας πάνω στον άλλο», δήλωσε ο Alonso-Álvarez, και το ίδιο θα πρέπει να ισχύει και για δύο μαύρες τρύπες. «Υπάρχει μια διατήρηση της στροφορμής στην τροχιά που τις εμποδίζει να πέσουν, εκτός αν υπάρχει κάτι που αφαιρεί αυτή την ενέργεια».

Αυτόν τον ρόλο θα μπορούσε να παίξει η αυτοεπιδρώσα σκοτεινή ύλη, όπως πρότειναν ο Alonso-Álvarez και οι συνεργάτες του στο Physical Review Letters τον Ιούλιο. Αυτός ο τύπος διαφέρει από τη λεγόμενη ψυχρή σκοτεινή ύλη – το απλούστερο είδος υποθετικών σωματιδίων σκοτεινής ύλης, τα οποία θα ήταν βαριά, αργά και αδρανή.

Η ψυχρή σκοτεινή ύλη δεν θα αλληλεπιδρούσε με τίποτε άλλο παρά μόνο μέσω της βαρύτητας, οπότε η βαρυτική επίδραση των μαύρων οπών θα πρέπει να την διώξει από την περιοχή πολύ πριν οι μαύρες οπές φτάσουν στο τελευταίο παρσέκ.

Η αυτο-αλληλεπιδρώσα σκοτεινή ύλη, ωστόσο, αποτελείται από ελαφριά σωματίδια που έχουν τουλάχιστον μία δύναμη που δρα μεταξύ τους. Επειδή τα σωματίδια της αυτοεπιδρώσας σκοτεινής ύλης διασκορπίζονται μεταξύ τους όπως οι μπάλες του μπιλιάρδου σε ένα τραπέζι, δεν θα διασκορπίζονταν τόσο εύκολα και, αντίθετα, θα τραβούσαν τις μαύρες τρύπες, επιβραδύνοντάς τες.

«Μένει εκεί και δημιουργεί τριβές», δήλωσε ο Alonso-Álvarez. «Έχει ένα είδος ιξώδους». Αυτή η τριβή θα μπορούσε στη συνέχεια να οδηγήσει σε συγχώνευση εντός 100 εκατομμυρίων ετών, λύνοντας το πρόβλημα του τελικού παρσέκ.

Η «υπερελαφριά» ή «ασαφής» σκοτεινή ύλη θα αποτελούνταν από σωματίδια με εξαιρετικά μικρές μάζες που θα ενώνονταν για να σχηματίσουν τεράστια κύματα.

Διαβασε ακομα

Λύθηκε το μυστήριο της σκοτεινής ύλης;

Αυτά τα σωματίδια θα συγκεντρώνονταν επίσης στο γαλαξιακό κέντρο και θα υφίσταντο τριβή με τις μαύρες τρύπες, επιτρέποντας στην ασαφή σκοτεινή ύλη να «μεταφέρει αποτελεσματικά τη γωνιακή ορμή και την τροχιακή τους ενέργεια», δήλωσε ο Jae-Weon Lee, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο Jungwon της Νότιας Κορέας και συν-συγγραφέας μιας δημοσίευσης του Σεπτεμβρίου στο περιοδικό Physics Letters B που περιγράφει την ιδέα. Οι μαύρες τρύπες θα προκαλούσαν αυτή τη σκοτεινή ύλη να δονείται σαν καμπάνα αντί να διασκορπίζεται.

Το ξυράφι του Όκαμ

Δεν είναι όλοι πεπεισμένοι ότι πρέπει να επικαλεστούμε τέτοια εξωτική φυσική για να εξηγήσουμε πώς συγχωνεύονται οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες. «Δεν θα έλεγα ότι χρειαζόμαστε αυτο-αλληλεπιδρώσα σκοτεινή ύλη», δήλωσε η Priyamvada Natarajan, θεωρητικός αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Yale.

Μια διαφορετική πιθανότητα είναι ότι τα αστέρια θα μπορούσαν να αιωρούνται μπροστά από τις συγχωνευόμενες μαύρες τρύπες και να αφαιρούν αρκετή στροφορμή για να τις φέρουν κοντά. Ίσως τα αστέρια να εκσφενδονίζονται τυχαία προς την κατεύθυνση των μαύρων τρυπών από άλλα σημεία του γαλαξία μέσω αλληλεπιδράσεων με άλλα αστέρια.

«Αν έχεις έναν τόνο από αυτά τα αστέρια που πλησιάζουν τις δύο κεντρικές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, τότε μπορείς να αφαιρέσεις όλο και περισσότερη στροφορμή», δήλωσε ο Fabio Pacucci, θεωρητικός αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ.

Ωστόσο, η μοντελοποίηση έχει δείξει ότι είναι δύσκολο να διασκορπιστούν αρκετά αστέρια προς τις μαύρες τρύπες ώστε να λυθεί το πρόβλημα του τελικού παρσέκ.

Εναλλακτικά, κάθε μαύρη τρύπα θα μπορούσε να έχει έναν μικρό δίσκο αερίου γύρω της, και αυτοί οι δίσκοι θα μπορούσαν να τραβήξουν υλικό από έναν ευρύτερο δίσκο που περιβάλλει την κενή περιοχή που έχουν χαράξει οι τρύπες.

Διαβασε ακομα

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

«Οι δίσκοι γύρω τους τροφοδοτούνται από τον ευρύτερο δίσκο», δήλωσε ο Taylor, και αυτό σημαίνει, με τη σειρά του, ότι η τροχιακή τους ενέργεια μπορεί να διαρρεύσει στον ευρύτερο δίσκο. «Φαίνεται μια πολύ αποτελεσματική λύση», δήλωσε η Natarajan. «Υπάρχει πολύ αέριο διαθέσιμο».

Τον Ιανουάριο, η Blecha και οι συνάδελφοί της διερεύνησαν την ιδέα ότι μια τρίτη μαύρη τρύπα στο σύστημα θα μπορούσε να δώσει λύση. Σε ορισμένες περιπτώσεις όπου δύο μαύρες τρύπες έχουν ακινητοποιηθεί, ένας άλλος γαλαξίας θα μπορούσε να αρχίσει να συγχωνεύεται με τους δύο πρώτους, φέρνοντας μαζί του μια επιπλέον μαύρη τρύπα.

«Μπορείς να έχεις μια ισχυρή αλληλεπίδραση τριών σωμάτων», δήλωσε η Blecha. «Μπορεί να αφαιρέσει ενέργεια και να μειώσει σημαντικά τη χρονική κλίμακα της συγχώνευσης». Σε ορισμένα σενάρια, η ελαφρύτερη από τις τρεις τρύπες εκτοξεύεται, αλλά σε άλλα και οι τρεις συγχωνεύονται.

Δοκιμές στον ορίζοντα

Το καθήκον τώρα είναι να βρούμε ποια λύση είναι σωστή ή αν πρόκειται για πολλαπλές διεργασίες.

Ο Alonso-Álvarez ελπίζει να δοκιμάσει την ιδέα του αναζητώντας ένα σήμα αυτοεπιδρώσας σκοτεινής ύλης σε επερχόμενα δεδομένα χρονομέτρων πάλσαρ. Μόλις οι μαύρες τρύπες πλησιάσουν περισσότερο από το τελευταίο παρσέκ, αποβάλλουν στροφορμή κυρίως εκπέμποντας βαρυτικά κύματα.

Αν όμως υπάρχει αυτο-αλληλεπιδρώσα σκοτεινή ύλη, τότε θα πρέπει να τη δούμε να απορροφά μέρος της ενέργειας σε αποστάσεις γύρω από το όριο των παρσέκ. Αυτό με τη σειρά του θα έκανε λιγότερο ενεργητικά τα βαρυτικά κύματα, δήλωσε ο Alonso-Álvarez.

Διαβασε ακομα

Πώς πεθαίνουν τα αστέρια; Η ιστορία ενός ουράνιου δράματος

Ο Hai-Bo Yu, σωματιδιακός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Ρίβερσαϊντ, ο οποίος είναι υπέρμαχος της αυτοεπιδρώσας σκοτεινής ύλης, δήλωσε ότι η ιδέα είναι αληθοφανής. «Είναι μια οδός για την αναζήτηση μικροσκοπικών χαρακτηριστικών της σκοτεινής ύλης από τη φυσική των βαρυτικών κυμάτων», είπε. «Νομίζω ότι αυτό είναι απλά συναρπαστικό».

Το διαστημικό σκάφος LISA (Laser Interferometer Space Antenna) της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας, ένα παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων που πρόκειται να εκτοξευθεί το 2035, μπορεί να μας δώσει ακόμη περισσότερες απαντήσεις.

Το LISA θα ανιχνεύσει τα ισχυρά βαρυτικά κύματα που εκπέμπονται από τις συγχωνευόμενες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες κατά τις τελευταίες ημέρες τους. «Με το LISA θα δούμε στην πραγματικότητα υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες να συγχωνεύονται», δήλωσε ο Pacucci. Η φύση αυτού του σήματος θα μπορούσε να αποκαλύψει «συγκεκριμένα χαρακτηριστικά που δείχνουν τη διαδικασία επιβράδυνσης», λύνοντας το πρόβλημα του τελικού παρσέκ.

Με πληροφορίες από wired, Quanta magazine