Το πιο πυκνό αντικείμενο στο σύμπαν

Στις ήπιες θερμοκρασίες και πιέσεις της επιφάνειας της Γης, το πιο πυκνό γνωστό υλικό είναι το όσμιο, του οποίου η πυκνότητα είναι 22 γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό ή ένα κουταλάκι από αυτό το υλικό ζυγίζει 100 γραμμάρια. Ακόμη και το όσμιο είναι πάντως κούφιο, αφού είναι γεμάτο από ηλεκτρονιακά νέφη που διαχωρίζουν τους πυκνούς ατομικούς πυρήνες. Καίτοι κρυφά και εσωτερικά, αυτά τα νέφη των ηλεκτρονίων συμπιέζονται πολύ λίγο κάτω από τις τεράστιες πιέσεις βαθειά στο εσωτερικό του πλανήτη μας.

Όμως, πολύ μεγαλύτερη πίεση βρέθηκε ότι επικρατεί στον υπό κατάρρευση πυρήνα ενός γιγάντιου άστρου που έγινε άστρο νετρονίων. Εκεί η ύλη βρίσκεται σε κάποια εξωτική και υπερ-πυκνή μορφή – κυρίως από νετρόνια με λίγα πρωτόνια και ηλεκτρόνια, ‘πακεταρισμένα’ σε ένα στενό χώρο. Ένα κυβικό μέτρο από μια τέτοια ύλη από νετρόνια ή neutronium στο κέντρο αυτών των άστρων, θα μπορούσε να έχει μάζα μέχρι 10¹⁸ χιλιόγραμμα ή ένα εκατομμύριο δισεκατομμύρια τόνους.

Μια ακόμη πυκνότερη ύλη υποτίθεται ότι μπορεί να υπάρχει στους πυρήνες αυτών των άστρων νετρονίων: η ύλη εκεί αποτελείται από κουάρκ, όπου τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι διαλυμένα στα συστατικά τους σωματίδια. Όμως αυτή η ύλη ίσως να μην είναι και η πιο πυκνή. Δύο άστρα νετρονίων που πρόσφατα ανακαλύφθηκαν είναι τόσο πυκνά που πιθανά αποτελούνται από μια σούπα από κουάρκ.

Το “neutronium” ή ίσως η ύλη από κουάρκ μπορεί να είναι η πυκνότερη μορφή ύλης στο σύμπαν, αλλά δεν είναι τα πιο πυκνά αντικείμενα. Με την περαιτέρω συμπίεση ενός άστρου νετρονίων θα πάρουμε μια μαύρη τρύπα. Όχι όμως ότι όλες οι μαύρες τρύπες είναι ιδιαίτερα πυκνές. Στην πραγματικότητα οι μεγάλες μαύρες τρύπες, όπως υπολογίζουμε από τον ορίζοντα γεγονότων τους, είναι εντελώς ισχνοί. Μια υπερβαρέα μαύρη τρύπα στον κοντινό γαλαξία Μ87 έχει μάζα 6,4 δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του ήλιου μας, με μια πυκνότητα 0,37 χιλιόγραμμα ανά κυβικό μέτρο, κάνοντας την πιο ελαφριά και από τον αέρα. Από την άλλη, η μικρότερη γνωστή μαύρη τρύπα – η XTE J1650-500 – της οποίας η μάζα είναι μόνο 3,8 φορές τη μάζα του ήλιου, έχει πυκνότητα πάνω από 10¹⁸  χιλιόγραμμα ανά κυβικό μέτρο

Οι μικροσκοπικές μαύρες τρύπες θα μπορούσαν επίσης να είχαν προκύψει κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης, όταν οι κβαντικές διακυμάνσεις σε ένα εξαιρετικά πυκνό σύμπαν θα μπορούσαν να έχουν οδηγήσει σε περιοχές τόσο πυκνές, που αυτές ήταν ικανές να καταρρεύσουν. Αυτές οι περιοχές θα μπορούσαν να μας αποκαλυφθούν από ξαφνικές εκρήξεις ή ριπές ακτινοβολίας. Αν αυτό το σενάριο όντως ισχύει τότε αυτές οι ακτινοβολίες θα μας βοηθήσουν να καταλάβουμε τι συμβαίνει στην κλίμακα των κβαντικών διακυμάνσεων στο βρεφικό σύμπαν, και ίσως στις διαδικασίες που οδήγησαν στο Big Bang.

Στο εσωτερικό του ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας τα πράγματα γίνονται πολύ παράξενα. Η θεωρία της σχετικότητας μας λέει ότι η ύλη συμπιέζεται μέχρι να γίνει ένα «μαθηματικό σημείο» άπειρης πυκνότητας – αν και στις ακραίες αυτές συνθήκες «καταρρέει» και η ίδια η θεωρία, διότι εκεί εμφανίζονται κβαντικά φαινόμενα που αρχίζουν να επηρεάζουν τον χωροχρόνο.

Εδώ, όπου η βαρύτητα συναντάει τον κβαντικό κόσμο., είναι το μεγάλο σύνορο της θεμελιώδους φυσικής. Μέσα σε αυτό τον χώρο πιστεύουμε ότι μπορούμε να κατανοήσουμε την βαθύτερη βάση της πραγματικότητας.

Μήπως εν τέλει η καρδιά μιας μαύρης τρύπας υποκρύπτει μια μπάλα από ταλαντούμενες χορδές; Ή μήπως μια κβαντική σκουληκότρυπα; Δεν γνωρίζουμε αν και οι υπολογισμοί δείχνουν ένα ανώτατο όριο για την πυκνότητα, την πυκνότητα Planck, 5 × 10⁹⁶ kg/m3.

Ακόμα και το πιο πυκνό αντικείμενο στο σύμπαν δεν μπορεί να είναι πιο πυκνό από αυτή την τιμή, που αποτελεί και το ανώτατο όριο πυκνότητας στο σύμπαν.