Τα τελευταία χρόνια ήταν απίστευτα για τις ανακαλύψεις της φυσικής. Οι επιστήμονες εντόπισαν το μποζόνιο Higgs, ένα σωματίδιο που το κυνηγούσαμε για σχεδόν 50 χρόνια και το ανακαλύψαμε το 2012, αλλά και τα κύματα βαρύτητας , τα οποία προβλέφτηκαν από τη θεωρία πριν από 100 χρόνια, και ανιχνεύτηκαν το 2016. Σκέφτηκαν λοιπόν μερικοί θεωρητικοί, γιατί να μην συνδυάσουμε όλες τις πιο τρελές ιδέες φυσικής σε μια θεωρία; Τι θα συμβεί αν, ας πούμε, προσπαθήσουμε να εντοπίσουμε τη σκοτεινή ύλη που εκπέμπεται από μαύρες τρύπες μέσω των κυμάτων της βαρύτητας;
Μήπως το μποζόνιο Higgs αλληλεπιδρά με τη σκοτεινή ύλη ή τη σκοτεινή ενέργεια;
Είναι πραγματικά μια παράξενη ιδέα. Τώρα που οι επιστήμονες έχουν εντοπίσει τα βαρυτικά κύματα, κυματισμούς στο διάστημα που δημιουργούνται από τα πιο βίαια φυσικά γεγονότα, θέλουν να χρησιμοποιήσουν την ανακάλυψή τους για να κάνουν πραγματικές παρατηρήσεις φυσικής. Νομίζουν ότι έχουν έναν τρόπο να εντοπίσουν ολοκαίνουργια σωματίδια που μπορεί να συνθέτουν την σκοτεινή ύλη, μια άγνωστη ουσία που αντιπροσωπεύει πάνω από το 80% όλης της βαρύτητας στο σύμπαν.
“Η βασική ιδέα είναι ότι προσπαθούμε να χρησιμοποιήσουμε μαύρες τρύπες … τα πιο πυκνά και πιο συμπαγή αντικείμενα του σύμπαντος για να αναζητήσουμε νέα είδη σωματιδίων”, δήλωσε η Masha Baryakhtar, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής Perimeter του Καναδά. Ειδικά ένα σωματίδιο: “Το αξόνιο. Οι άνθρωποι το ψάχνουν για 40 χρόνια. ”
Οι μαύρες τρύπες είναι οι καταβόθρες του σύμπαντος, τόσο ισχυρές ώστε το φως δεν μπορεί να ξεφύγει από την έλξη τους μόλις εισέλθει σε αυτές. Έχουν τόσο ισχυρά βαρυτικά πεδία που παράγουν βαρυτικά κύματα όταν συγκρούονται μεταξύ τους. Η σκοτεινή ύλη μπορεί να μην είναι κατασκευασμένη από σωματίδια, αλλά αν ήταν, θα μπορούσαμε να την παρατηρήσουμε ως αξιόνια, ένα πανάλαφρο σωματίδια γύρω στο ένα δισεκατομμύριο δισεκατομμύρια φορές ελαφρύτερο από ένα ηλεκτρόνιο, που βρίσκεται γύρω από μαύρες τρύπες. Τώρα που καταλαβαίνετε όλους τους όρους, παρακάτω δείτε πως λειτουργεί η θεωρία.
Η Baryakhtar και οι συνεργάτες της πιστεύουν ότι οι μαύρες τρύπες είναι κάτι περισσότερο από παγίδες για το φως, αλλά πυρήνες στο κέντρο ενός είδους βαρυτικού ατόμου. Τα αξιόνια θα είναι τα ηλεκτρόνια, για να κάνουμε μια παρομοίωση Αν γνωρίζετε ήδη τις μαύρες τρύπες, γνωρίζετε ότι έχουν απίστευτα καυτούς, υψηλής ενέργειας δίσκους αερίου που περιστρέφονται γύρω από αυτές, που παράγονται από την τριβή μεταξύ σωματιδίων που επιταχύνονται από τη βαρύτητα της μαύρης τρύπας. Αυτή η θεωρία αγνοεί αυτά τα πράγματα, αφού τα αξιόνια δεν θα αλληλεπιδρούν μέσω της τριβής.
Διατηρώντας την αναλογία των ατόμων, τα αξιόνια μπορούν να στρέφονται γύρω από τη μαύρη τρύπα, κερδίζοντας και χάνοντας ενέργεια με τον ίδιο τρόπο που κάνουν τα ηλεκτρόνια στα άτομα. Αλλά τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν μέσω ηλεκτρομαγνητισμού, κι έτσι δημιουργούν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ή τα κύματα του φωτός. Τα αξιόνια αλληλεπιδρούν μέσω της βαρύτητας, έτσι δημιουργούν τα βαρυτικά κύματα. Αλλά, όπως είπαμε πιο πάνω, τα αξιόνια είναι απίστευτα μικροσκοπικά. Σε αντίθεση με ένα μικροσκοπικό άτομο, η μαύρη τρύπα σε αυτά τα “άτομα βαρύτητας” περιστρέφεται, υπερφορτώνει το χώρο γύρω της και τον αναγκάζει να παράγει περισσότερα αξιόνια. Παρά τη μικροσκοπική μάζα του αξιονίου, αυτή η αποκαλούμενη διαδικασία υπερπαραγωγής θα μπορούσε να παράγει 10 80 αξιόνια, τον ίδιο αριθμό με όλα τα άτομα σε ολόκληρο το σύμπαν, και αυτά γύρω από μία μόνο μαύρη τρύπα.
Και το πιο τρελό από όλα, θα πρέπει να ακούσουμε ένα βόμβο βαρυτικών κυμάτων από αυτά τα αξιόνια που κινούνται γύρω και απελευθερώνουν κύματα βαρύτητας στους ανιχνευτές μας, παρόμοια με τον τρόπο που βλέπετε τις φασματικές γραμμές που προέρχονται από την μετάβαση των ηλεκτρονίων στις στιβάδες των ατόμων. “Θα τα δείτε σε μια συγκεκριμένη συχνότητα η οποία θα είναι περίπου διπλάσια από την μάζα του αξιονίου”, δήλωσε η Baryakhtar.
Υπάρχουν γιγάντιοι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων που είναι διάσπαρτοι σε όλο τον κόσμο. Σήμερα υπάρχει ένα LIGO στην πολιτεία της Ουάσιγκτον, ένα άλλο LIGO στη Λουιζιάνα και ένας που ονομάζεται Virgo στην Ιταλία αρκετά ευαίσθητος για να ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα και με αναβαθμίσεις ικανός να ανιχνεύσει αξιόνια και να αποδείξει τη σωστή θεωρία. Οι επιστήμονες θα πρέπει ουσιαστικά να καταγράφουν τα δεδομένα, να τα αναπαράγουν και να συντονίζουν την ανάλυσή τους σαν ένα ραδιόφωνο για να πάρουν το σήμα με τη σωστή συχνότητα.
Υπάρχουν κι άλλοι τρόποι με τους οποίους η ομάδα της Baryakhtar σκέφτεται ότι θα μπορούσε να εντοπίσει αυτό το φαινόμενο υπερπαραγωγής [superradiance], μετρώντας τις ιδιοπεριστροφές σε ομάδες συγκρουόμενων μαύρων τρυπών. Εάν οι μαύρες τρύπες παράγουν πράγματι αξιόνια, οι επιστήμονες θα δουν πολύ λίγες μαύρες τρύπες να περιστρέφονται γρήγορα, καθώς τα φαινόμενα υπερπαραγωγής [superradiance] θα επιβραδύνουν μερικές από τις συγκρουόμενες μαύρες τρύπες και θα δημιουργήσουν μια ορατή επίδραση στα δεδομένα, σύμφωνα με μια έρευνα που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Physical Review D . Οι ιδιοπεριστροφές της μαύρης οπής θα είχαν ένα συγκεκριμένο μοτίβο το οποίο θα μπορούσαμε να εντοπίσουμε στα δεδομένα του ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων.
Άλλοι επιστήμονες ενθουσιάστηκαν αμέσως με αυτή τη δημοσίευση. “Είμαι πολύ ενθουσιασμένος με νέους τρόπους για να ανιχνεύσουμε το αγαπημένο μου σωματίδιο αξιόνιο! “, λέει η Δρ. Chanda Prescod-Weinstein, από το Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον. “Είναι τόσο cool και δεν έχω διαβάσει καμμιά δημοσίευση που να μιλάει για την υπερπαραγωγή χρόνια τώρα. Γι ‘αυτό ήταν πραγματικά διασκεδαστικό να βλέπεις την υπερεκτίμηση και την υπερπαραγωγή και τα αξιόνια στην ίδια δημοσίευση.».
Υπάρχουν όμως μερικά μειονεκτήματα, όπως συμβαίνει με οποιαδήποτε θεωρία. Αυτά τα θεωρητικά άτομα με τη μαύρη τρύπα στο κέντρο τους, θα έπρεπε να παράγουν αξιόνια μιας ορισμένης μάζας, όμως αυτή η μάζα δεν είναι ιδανική για να είναι το αξιόνιο, σωματίδιο της σκοτεινής ύλης, δήλωσε η Prescod-Weinstein. Επιπλέον, η δεύτερη ιδέα ανίχνευσης, αυτή που εξετάζει την ταχύτητα ιδιοπεριστροφής των μαύρων οπών που συγκρούονται, μπορεί να μην λειτουργήσει. “Λένε στην δημοσίευση ότι δεν λαμβάνουν υπόψη την πιθανή επίδραση μιας άλλης μαύρης τρύπας” στο συγκρουόμενο ζεύγος των μαύρων οπών , λέει ο Lionel London, συνεργάτης της Σχολής Φυσικής και Αστρονομίας του Πανεπιστημίου Cardiff που ειδικεύεται στο μοντέλο βαρυτικών κυμάτων. “Εάν αυτό αποδειχθεί ότι έχει σημαντική επίδραση και δεν το συμπεριλαμβάνουν, αυτό θα μπορούσε να θέσει υπό αμφισβήτηση τα αποτελέσματά τους.”
Αλλά υπάρχει ελπίδα. “Υπάρχει καλός λόγος να πιστεύουμε ότι το αποτέλεσμα μιας συνοδού μαύρης τρύπας δεν θα είναι μεγάλο.”
Πότε θα παρατηρούσαμε τέτοια γεγονότα; Προς το παρόν, οι ανιχνευτές βαρύτητας LIGO και Virgo πιθανότατα δεν είναι έτοιμοι. “Με την τρέχουσα ευαισθησία βρισκόμαστε στον άκρο” της ανίχνευσης αξιονίων, είπε η Masha Baryakhtar του Perimeter. “Αλλά ο ανιχνευτής LIGO θα συνεχίσει να βελτιώνει τα όργανα του και με την αύξηση της ευαισθησίας θα μπορούσαμε να δούμε ότι θα έρχονται χιλιάδες από αυτά τα σήματα των αξιονίων”, ανέφερε. Χιλιάδες βουητά από αυτά τα “άτομα μαύρης τρύπας”.
Εάν έχετε φτάσει σε αυτό το σημείο της ιστορίας και ακόμα δεν καταλαβαίνετε τι συμβαίνει, μια ανακεφαλαίωση: Έχουμε αυτούς τους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων που κοστίζουν εκατοντάδες εκατομμύρια δολάρια το καθένα, που εντοπίζουν με ακρίβεια κάποια τρελά πράγματα που συμβαίνουν στο σύμπαν. Οι θεωρητικοί έχουν βρει έναν ενδιαφέροντα τρόπο να τους χρησιμοποιήσουν για να λύσουν ένα από τα σημαντικότερα διαστρικά μυστήρια: Ποιά είναι η σκοτεινή ύλη; Όπως και με τις περισσότερες νέες ιδέες στη θεωρητική φυσική, είναι ενδιαφέρουσα αλλά δεν θα είμαστε έτοιμοι ακόμα για μεγάλο χρονικό διάστημα.
