physics4u - Τρία κοσμικά αινίγματα, μια τολμηρή απάντηση

Η σκοτεινή ενέργεια και η σκοτεινή ύλη, δύο από τα πιο μεγάλα μυστήρια που αντιμετωπίζουν οι φυσικοί, μπορούν να είναι οι δύο πλευρές του ίδιου νομίσματος. Ένα νέο και μέχρι τώρα άγνωστο είδος άστρου θα μπορούσε να εξηγήσει και τα δύο φαινόμενα και, στη συνέχεια, να αφαιρέσει τις μαύρες τρύπες από το λεξικό της κοσμολογίας.

Η τολμηρή ιδέα προέρχεται από τον George Chapline, έναν φυσικό στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore στην Καλιφόρνια, και το νομπελίστα Robert Laughlin (1998 για την εξήγηση του κλασματικού κβαντικού φαινομένου Hall) του πανεπιστημίου του Στάνφορντ. Πριν λίγες εβδομάδες ο Chapline πρότεινε ότι τα αντικείμενα που μέχρι τώρα θεωρήθηκαν ότι ήταν μαύρες τρύπες στην πραγματικότητα μπορεί να είναι νεκρά αστέρια, που σχηματίστηκαν ως αποτέλεσμα ενός δυσνόητου κβαντικού φαινομένου. Αυτά τα αστέρια θα μπορούσαν να εξηγήσουν τόσο τη σκοτεινή ενέργεια όσο και τη σκοτεινή ύλη.

Αυτή η ριζική πρόταση θα απέφευγε μερικά θεμελιώδη προβλήματα που δημιουργούνται από την ύπαρξη των μαύρων οπών. Ένα τέτοιο πρόβλημα προκύπτει από την ιδέα ότι μόλις διασχίσει η ύλη τον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας - το σημείο πέρα από το οποίο ακόμα και το φως δεν μπορεί να δραπετεύσει - θα καταστραφεί από τη χωροχρονική ιδιομορφία ή παραξενιά στο κέντρο της μαύρης τρύπας. Επειδή οι πληροφορίες για την ύλη χάνονται για πάντα, αυτό το γεγονός συγκρούεται με τους νόμους της κβαντικής μηχανικής, οι οποίοι δηλώνουν ότι οι πληροφορίες δεν μπορούν ποτέ να εξαφανιστούν από τον Κόσμο.

Ένα άλλο πρόβλημα με τη θεωρία των μαύρων οπών είναι ότι το φως από ένα αντικείμενο, που περιέρχεται σε μια μαύρη τρύπα εκτείνεται (διαστρεβλώνεται) τόσο δραματικά από την απέραντη βαρύτητα, που κάποιος εξωτερικός παρατηρητής θα δει το χρόνο να παγώνει: το αντικείμενο θα εμφανιστεί να κάθεται στον ορίζοντα γεγονότων για πάντα. Αυτό το πάγωμα του χρόνου παραβιάζει επίσης την κβαντική μηχανική.

"Οι άνθρωποι είναι αόριστα ανήσυχοι για αυτά τα προβλήματα για μια στιγμή, αλλά πιστεύουν ότι αυτά κάποια μέρα θα λυθούν", λέει ο Chapline. "Αλλά αυτό μέχρι τώρα δεν έχει συμβεί και είμαι βέβαιος ότι όταν οι ιστορικοί ξανακοιτάξουν πίσω, θα αναρωτηθούν γιατί οι άνθρωποι δεν εξέτασαν αυτές τις αντιφάσεις. Οι άνθρωποι δυσκολεύονται με αυτά τα προβλήματα με τις μαύρες τρύπες, αλλά λογαριάζουν σαν να έχουν λυθεί. Όμως αυτό δεν έχει συμβεί".

Ενώ ψάχνουν για τρόπους να αποφευχθούν αυτά τα φυσικά παράδοξα, οι Chapline και Laughlin βρήκαν μερικές απαντήσεις σε ένα ανεξάρτητο φαινόμενο: η παράξενη συμπεριφορά των υπεραγωγικών κρυστάλλων καθώς περνούν από την αποκαλούμενη "κβαντική κρίσιμη μετάβαση φάσης". Κατά τη διάρκεια αυτής της μετάβασης, το σπιν των ηλεκτρονίων στους κρυστάλλους προβλέπεται να κυμαίνεται τρελά, αλλά αυτή η πρόβλεψη δεν επιβεβαιώνεται από την παρατήρηση. Αντιθέτως, οι διακυμάνσεις του σπιν εμφανίζονται να επιβραδύνονται, και να γίνονται ακόμη ακίνητα, σαν ο χρόνος ο ίδιος να έχει επιβραδυνθεί.

"Το φαινόμενο αυτό ήταν που σκεφτήκαμε", διευκρινίζει ο Chapline. Αυτός και ο Laughlin συνειδητοποίησαν ότι εάν μια τέτοια κβαντική κρίσιμη μετάβαση φάσης είχε συμβεί στην επιφάνεια ενός αστεριού, θα επιβράδυνε το χρόνο και η επιφάνεια θα συμπεριφερόταν ακριβώς όπως ο ορίζοντας γεγονότων μιας μαύρης τρύπας. Η κβαντομηχανική τότε δεν θα παραβιάζονταν επειδή σε αυτό το σενάριο ο χρόνος δεν θα πάγωνε ποτέ εξ ολοκλήρου. "Αρχίζουμε με αποτελέσματα που φαίνονται πραγματικά στο εργαστήριο, που σκέφτομαι πως δίνει περισσότερη αξιοπιστία από ό,τι οι μαύρες τρύπες", τονίζει ο Chapline.

Με αυτήν την ιδέα στο μυαλό - μαζί με την Emil Mottola στο Εθνικό Εργαστήριο Los Alamos στο Νέο Μεξικό καθώς και τον Pawel Mazur του πανεπιστημίου της Νότιας Καρολίνας στην Κολούμπια και τους συναδέλφους τους - ανέλυσαν την κατάρρευση των άστρων πολύ μεγάλης μάζας με έναν τρόπο που δεν επέτρεπε οποιαδήποτε παραβίαση της κβαντικής μηχανικής. Αρκετά σίγουρη, αντί των μαύρων οπών, η ανάλυσή τους προβλέπει μια μετάβαση φάσης που δημιουργεί ένα λεπτό κβαντικό κρίσιμο φλοιό.

Το μέγεθος αυτού του φλοιού καθορίζεται από τη μάζα του αστεριού και, κυρίως, δεν περιέχει καμιά χωροχρονική ιδιομορφία ή παραδοξότητα. Αντιθέτως, ο φλοιός περιέχει ένα κενό, ακριβώς όπως το κενό του ελεύθερου χώρου, που περιέχει όμως ενέργεια. Καθώς η μάζα του άστρου καταρρέει διαμέσου του φλοιού, μετατρέπεται στην ενέργεια που συμβάλλει στην ενέργεια του κενού.

Οι υπολογισμοί της ομάδας δείχνουν ότι η κενή ενέργεια μέσα στο φλοιό έχει μια ισχυρή αντιβαρυτική επίδραση, ακριβώς όπως η σκοτεινή ενέργεια που εμφανίζεται να επιταχύνει την επέκταση του σύμπαντος. Ο Chapline έχει ονομάσει τα αντικείμενα που δημιουργούνται κατ' αυτόν τον τρόπο "άστρα σκοτεινής ενέργειας".

Αν και αυτό το φαινόμενο αντιβαρύτητας αναμένεται να απομακρύνει μακριά το φλοιό του αστεριού, οι υπολογισμοί από τον Francisco Lobo του πανεπιστημίου της Λισσαβόνας έχουν δείξει ότι τα σταθερά αστέρια σκοτεινής ενέργειας μπορούν να υπάρχουν για αρκετά διαφορετικά μοντέλα της ενέργειας του κενού. Και το πιο σπουδαίο, αυτά τα σταθερά αστέρια θα είχαν φλοιούς που βρίσκονται κοντά στην περιοχή όπου θα σχηματιζόταν ο γνωστός ορίζοντας γεγονότων μιας μαύρης τρύπας.

"Άστρα σκοτεινής ενέργειας και μαύρες τρύπες θα έχουν την ίδια εξωτερική γεωμετρία, κι έτσι θα είναι πολύ δύσκολο να τα διαχωρίσουμε", τονίζει ο Lobo. "Όλες οι παρατηρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν ως στοιχεία για τις μαύρες τρύπες - η βαρυτική έλξη τους στα αντικείμενα και ο σχηματισμός των δίσκων προσαύξησης της ύλης γύρω από αυτές - θα μπορούσαν επίσης να λειτουργήσουν ως στοιχεία και για τα αστέρια σκοτεινής ενέργειας".

Αυτό δεν σημαίνει ότι τα δύο αντικείμενα είναι απολύτως όμοια. Ενώ οι μαύρες τρύπες καταπίνουν υποθετικά οτιδήποτε ξεπεράσει τον ορίζοντα γεγονότων, οι κβαντικοί κρίσιμοι φλοιοί είναι μια οδός διπλής κατεύθυνσης, λέει ο Chapline. Η ύλη που διασχίζει τους φλοιούς διασπάται, και ο αντι-βαρύτητα πρέπει να απομακρύνει κάποια από τα κατάλοιπα πάλι προς τα έξω. Επίσης, τα κουάρκ που διασχίζουν το φλοιό πρέπει να διασπώνται απελευθερώνοντας ποζιτρόνια και ακτίνες γάμμα, τα οποία θα αναδύονταν στην επιφάνεια. Το γεγονός αυτό θα μπορούσε να εξηγήσει τα υπερβολικά ποζιτρόνια που φαίνονται στο κέντρο του Γαλαξία μας, γύρω από την περιοχή που μέχρι τώρα θεωρείται ότι φιλοξενεί μια ογκώδη μαύρη τρύπα. Τα συμβατικά μοντέλα δεν μπορούν να εξηγήσουν επαρκώς αυτά τα ποζιτρόνια", διαπιστώνει ο Chapline.

Ο Chapline και οι συνάδελφοί του έχουν υπολογίσει επίσης το ενεργειακό φάσμα των απελευθερωμένων ακτίνων γάμμα. "Είναι πολύ παρόμοιο με το φάσμα που παρατηρείται στις εκρήξεις ακτίνων γάμμα", τονίζει ο Chapline. Η ομάδα επίσης προβλέπει ότι η ύλη που περιέρχεται μέσα σε ένα τέτοιο αστέρι σκοτεινής ενέργειας θα θερμαίνει το αστέρι, αναγκάζοντας το να εκπέμψει υπέρυθρη ακτινοβολία. "Καθώς τα τηλεσκόπια θα βελτιωθούν κατά τη διάρκεια της επόμενης δεκαετίας, θα είμαστε σε θέση να ψάξουμε για αυτό το φως", λέει ο Chapline. "Αυτή είναι μια θεωρία που πρέπει να αποδειχθεί με τον έναν τρόπο ή τον άλλος σε πέντε έως δέκα χρόνια".

Ο ειδικός στις μαύρες τρύπες Marek Abramowicz στο πανεπιστήμιο του Γκέτεμπουργκ, συμφωνεί ότι η ιδέα των άστρων σκοτεινής ενέργειας αξίζει. "Στην πραγματικότητα δεν έχουμε καμιά απόδειξη ότι υπάρχουν οι μαύρες τρύπες", λέει. "Αυτή είναι μια πολύ ενδιαφέρουσα εναλλακτική λύση".

Η πιο περίεργη τελική ιδέα από αυτήν την θεωρία έχει να κάνει με την ισχύ της ενέργειας του κενού μέσα σε αυτά τα αστέρια της σκοτεινής ενέργειας. Αυτή η ενέργεια συσχετίζεται με το μέγεθος του αστεριού, και για ένα αστέρι τόσο μεγάλο όσο είναι το Σύμπαν μας, η υπολογισμένη ενέργεια του κενού μέσα στο φλοιό του ταιριάζει με την τιμή της σκοτεινής ενέργειας που φαίνεται στο σύμπαν σήμερα. "Είναι σαν να ζούμε μέσα σε ένα γιγαντιαίο άστρο σκοτεινής ενέργειας", τονίζει ο Chapline. Δεν υπάρχει, φυσικά, καμία εξήγηση ακόμα για το πώς θα μπορούσε να δημιουργηθεί ένας Κόσμος - σαν ένα άστρο σκοτεινής ενέργειας.

"Το κενό μέσα στο αστέρι έχει μια ισχυρή επίδραση ενάντια στη βαρύτητα, ακριβώς όπως η σκοτεινή ενέργεια που απομακρύνει τους γαλαξίες και τα σμήνη του σύμπαντος μακριά. Στο άλλο άκρο της κλίμακας, τα μικρά άστρα αυτού του τύπου, θα μπορούσαν να εξηγήσουν την σκοτεινή ύλη. "Το big bang θα είχε δημιουργήσει τεράστιους αριθμούς μικροσκοπικών άστρων σκοτεινής ενέργειας από το κενό", αναφέρει ο Chapline, ο οποίος δούλεψε σε αυτήν την ιδέα με το Mazur. "Ο Κόσμος μας διαποτίζεται από τη σκοτεινή ενέργεια, και στον οποίο εκτοξεύτηκαν μικροσκοπικά άστρα σκοτεινής ενέργειας". Αυτά τα μικροσκοπικά άστρα σκοτεινής ενέργειας θα συμπεριφέρονταν ακριβώς όπως τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης: η βαρύτητά τους θα 'ρυμουλκούσε' την ύλη γύρω από αυτά, αλλά αυτά θα ήταν ειδάλλως αόρατα.

Ο Abramowicz λέει ότι ξέρουμε επίσης λίγα για τη σκοτεινή ενέργεια και τη σκοτεινό ύλη για να κρίνουμε την ιδέα των Chapline και Laughlin, αλλά δεν πρέπει να την ξεχάσουμε. "Το ελάχιστο που μπορούμε να πούμε είναι ότι η ιδέα δεν είναι αδύνατη".

Πηγή: New Scientist