Η αρχέγονη μαύρη τρύπα είναι μια από τις πιο ενδιαφέρουσες έννοιες στην αστρονομία εδώ και δεκαετίες. Τώρα, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Μαϊάμι πιστεύουν ότι μια πρόσφατη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων μπορεί να φέρει τους επιστήμονες πιο κοντά στην επιβεβαίωση ότι αυτά τα αρχαία αντικείμενα είναι πραγματικά, μια σημαντική ανακάλυψη που θα μπορούσε να βοηθήσει στην επίλυση του διαρκούς μυστηρίου της σκοτεινής ύλης.
Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες πιστεύεται ότι σχηματίστηκαν στο πρώτο κλάσμα του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, πολύ πριν από την ύπαρξη των πρώτων αστέρων ή γαλαξιών. Σε αντίθεση με τις μαύρες τρύπες που δημιουργούνται από αστέρια που καταρρέουν, αυτά τα υποθετικά αντικείμενα μπορεί να ποικίλουν σε μέγεθος από σώματα τόσο μικρά όσο ένας αστεροειδής έως πολύ μεγαλύτερα σώματα.
Αν και καμία αρχέγονη μαύρη τρύπα δεν έχει ακόμη επιβεβαιωθεί, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι μπορούν να απαντήσουν σε πολλά βασικά ερωτήματα σχετικά με το σύμπαν. Ένα από τα μεγαλύτερα είναι η φύση της σκοτεινής ύλης, της αόρατης ουσίας που αποτελεί περίπου το 85 τοις εκατό της ύλης και παρέχει τη βαρυτική έλξη που βοηθά στη συγκράτηση των γαλαξιών.
«Πιστεύουμε ότι η μελέτη μας θα βοηθήσει να επιβεβαιώσουμε ότι υπάρχουν στην πραγματικότητα», δήλωσε ο Nico Cappelluti, αναπληρωτής καθηγητής στο τμήμα φυσικής του Πανεπιστημίου του Μαϊάμι, αναφερόμενος στην έρευνα που διεξήγαγε με Ph.D. Μαθητής Αλμπέρτο Μαγαράγια.
Ένα ασυνήθιστο σήμα LIGO
Η εργασία τους βασίζεται σε μια πιθανή ανακάλυψη που αναφέρθηκε από το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολόμετρου Λέιζερ (LIGO), το οποίο ανίχνευσε ένα ασυνήθιστο σήμα βαρυτικού κύματος στα τέλη του περασμένου έτους. Τα βαρυτικά κύματα είναι κύματα στο χωροχρόνο που παράγονται από κάποιο βίαιο γεγονός στο σύμπαν, συμπεριλαμβανομένων των συγκρούσεων μεταξύ μαύρων τρυπών.
Οι πιο γνωστές μαύρες τρύπες σχηματίζονται μετά την έκρηξη ενός τεράστιου αστέρα ως σουπερνόβα. Οι μάζες τους κυμαίνονται τυπικά από μερικές φορές τη μάζα του Ήλιου έως δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες.
“Οι πιο συνηθισμένες μαύρες τρύπες σχηματίζονται από έναν σουπερνόβα, τον θάνατο ενός τεράστιου άστρου. Έτσι, η μάζα τους μπορεί να κυμαίνεται από λίγες φορές τη μάζα του Ήλιου έως δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες”, εξήγησε ο Cappelluti.
Αλλά τον Νοέμβριο, το LIGO εξέδωσε μια αυτόματη ειδοποίηση για μια συγχώνευση στην οποία τουλάχιστον ένα αντικείμενο φαινόταν να έχει λιγότερη από μία ηλιακή μάζα. Μια τόσο μικρή μαύρη τρύπα θα ήταν δύσκολο να εξηγηθεί μέσω της συμβατικής αστρικής εξέλιξης και αντίθετα μπορεί να υποδηλώνει μια αρχέγονη μαύρη τρύπα.
Δεν είναι όλοι πιστοί. Μερικοί αστρονόμοι έχουν προτείνει ότι το σήμα θα μπορούσε να είναι θόρυβος στους εξαιρετικά ευαίσθητους ανιχνευτές του LIGO και όχι απόδειξη μιας εκπληκτικής νέας ανακάλυψης.
Θα μπορούσε αυτό να εξηγήσει τη σκοτεινή ύλη;
Ο Cappelluti και ο Magaraggia υποστηρίζουν ότι το αντικείμενο που ανιχνεύτηκε εξηγείται καλύτερα ως μια αρχέγονη μαύρη τρύπα που σχηματίστηκε στις πυκνές συνθήκες του πρώιμου σύμπαντος πολύ πριν την ύπαρξη των αστεριών.
Για να δοκιμάσουν αυτή την ιδέα, οι ερευνητές υπολόγισαν πόσες αρχέγονες μαύρες τρύπες μπορεί να υπάρχουν σε όλο το σύμπαν και πόσο συχνά θα τις ανίχνευε το LIGO.
«Προσπαθήσαμε να εκτιμήσουμε πόσες αρχέγονες μαύρες τρύπες μπορεί να υπάρχουν στο σύμπαν και πόσες από αυτές θα μπορούσε να ανιχνεύσει το LIGO», είπε ο Magaraggia. “Και τα αποτελέσματά μας είναι ενθαρρυντικά. Προβλέπουμε ότι οι υποηλιακές μαύρες τρύπες που μοιάζουν με LIGO θα πρέπει να είναι πράγματι σπάνιες, σύμφωνα με το πόσο λίγα τέτοια γεγονότα έχουν παρατηρηθεί μέχρι στιγμής.”
Τα ευρήματά τους, δημοσιεύθηκαν Astrophysical Journalπροτείνουν ότι το μυστηριώδες σήμα LIGO δεν έχει συμβατική αστροφυσική εξήγηση και είναι περισσότερο συνεπές με μια αρχέγονη μαύρη τρύπα.
Η μελέτη “υποδεικνύει ότι η πιο εύλογη εξήγηση για το σήμα LIGO, το οποίο δεν έχει συμβατική αστρονομική εξήγηση, είναι η ανίχνευση μιας αρχέγονης μαύρης τρύπας”, είπε ο Cappelluti. «Και η έρευνά μας δείχνει ότι αυτές οι αρχέγονες μαύρες τρύπες μπορεί να αποτελούν ένα σημαντικό κλάσμα της σκοτεινής ύλης, αν όχι όλη».
Ωστόσο, και οι δύο ερευνητές τονίζουν ότι μια ταύτιση δεν αρκεί για να διευθετήσει το ερώτημα.
Προς το παρόν, οι επιστήμονες θα πρέπει να περιμένουν για να δουν εάν το LIGO και οι διεθνείς εταίροι του καταγράφουν πρόσθετα γεγονότα που ταιριάζουν με το ίδιο μοτίβο.
“Το LIGO έχει παράσχει πολύ ισχυρές αποδείξεις για την ύπαρξη τέτοιων μαύρων τρυπών. Αλλά πρέπει να ανιχνεύσουμε ένα άλλο τέτοιο σήμα, ή ακόμα και πολλά άλλα, για να επιβεβαιώσουμε το όπλο που καπνίζει”, είπε ο Cappelluti. «Αλλά αυτό που είναι ξεκάθαρο είναι ότι δεν μπορούν να αποκλειστούν ως πραγματικές».
Μια Θεωρία Δεκαετίες στη Δημιουργία
Η έννοια των αρχέγονων μαύρων τρυπών χρονολογείται από την εποχή του Ψυχρού Πολέμου, όταν οι Σοβιετικοί επιστήμονες Yakov Zeldovich και Igor Novikov πρότειναν για πρώτη φορά την ύπαρξή τους. Στις αρχές της δεκαετίας του 1970, ο Stephen Hawking επέκτεινε αυτήν την ιδέα, υποστηρίζοντας ότι αυτά τα αντικείμενα θα μπορούσαν να είναι άφθονα σε όλο το σύμπαν, να εκπέμπουν ακτινοβολία και πιθανώς να εξηγούν τη σκοτεινή ύλη.
Το LIGO έδωσε αργότερα την πρώτη ευκαιρία αναζήτησης στοιχείων που υποστηρίζουν αυτές τις θεωρίες. Στις 14 Σεπτεμβρίου 2015, το αστεροσκοπείο έγραψε ιστορία ανιχνεύοντας βαρυτικά κύματα για πρώτη φορά, επιβεβαιώνοντας μια βασική πρόβλεψη της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν και ανοίγοντας έναν εντελώς νέο τρόπο μελέτης του σύμπαντος.
Το βαρυτικό κύμα είναι το μέλλον της αστρονομίας
Το LIGO αποτελείται από δύο παρατηρητήρια που βρίσκονται στο Χάνφορντ της Ουάσιγκτον και στο Λίβινγκστον της Λουιζιάνα. Μαζί με τον ανιχνευτή Virgo στην Ιταλία και το υπόγειο παρατηρητήριο KAGRA στην Ιαπωνία, σχηματίζουν τη διεθνή συνεργασία LVK, η οποία αναζητά μαύρες τρύπες, περιοχές του διαστήματος όπου η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή που ακόμη και το φως δεν μπορεί να διαφύγει.
Οι προγραμματισμένες αναβαθμίσεις θα κάνουν το LIGO ακόμα πιο ευαίσθητο, αυξάνοντας τις πιθανότητες να βρεθούν επιπλέον υποψήφιες αρχέγονες μαύρες τρύπες. Ωστόσο, οι δύο ανιχνευτές σχήματος L του παρατηρητηρίου, ο καθένας με βραχίονα κενού μήκους 2,5 μιλίων, σχεδιάστηκαν για να ανιχνεύουν βαρυτικά κύματα υψηλής συχνότητας που παράγονται από σχετικά πρόσφατες κοσμικές συγκρούσεις, όχι κύματα που δημιουργούνται απευθείας κατά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Τα μελλοντικά παρατηρητήρια θα επεκταθούν που θα φτάνουν μακρύτερα με την πάροδο του χρόνου. Η διαστημική κεραία συμβολόμετρου λέιζερ (LISA) του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος, που έχει προγραμματιστεί να εκτοξευτεί το 2035, αναμένεται να ανιχνεύσει τα πρώιμα βαρυτικά κύματα στο σύμπαν μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Μια άλλη προγραμματισμένη εγκατάσταση, η Cosmic Explorer, βρίσκεται επί του παρόντος σε φάση σχεδιασμού στις Ηνωμένες Πολιτείες. Οι ερευνητές αναμένουν ότι θα είναι περίπου 10 φορές πιο ευαίσθητο από το LIGO, επιτρέποντάς του να ανιχνεύει τις συγχωνεύσεις μαύρης τρύπας και άστρων νετρονίων όταν σχηματίστηκαν τα πρώτα αστέρια.
