Μήπως το big bang γέννησε τρισεκατομμύρια μαύρες τρύπες

Πηγή: NewScientist, 19 Σεπτεμβρίου 2007

Μήπως κατά τη διάρκεια των πρώτων στιγμών του Κόσμου μας γεννήθηκε ένας τεράστιος αριθμός μαύρων οπών; Είναι μια πολύ παράξενη ιδέα, που γίνεται πιθανή από τις ακραίες πυκνότητες που συνδέονται με το big bang.

Μέχρι τώρα, δεν υπάρχει κανένα σοβαρό στοιχείο ότι τέτοιες αρχέγονες μαύρες τρύπες (PBHs) υπήρξαν ποτέ, αλλά νέες παρατηρήσεις για αυτή την εποχή θα μπορούσαν να αλλάξουν ό,τι ξέραμε.

Αρχέγονες μαύρες τρύπες

Η ανίχνευση τους θα είχε τεράστιο όφελος, επειδή αυτές θα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να εξετάσουμε τον πολύ πρώιμο Κόσμο ένα μικρό μόνο μέρος του ενός δευτερολέπτου αφότου άρχισαν όλα, όταν δηλαδή οι συνθήκες ήταν τόσο ακραίες, που και οι καλύτερες θεωρίες της φυσικής μας έχουν πρόβλημα να τις περιγράψουν. Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες επίσης μπορεί να αποτελούν μέρος της μυστήριας αόρατης ουσίας της γνωστής σκοτεινής ύλης, που φαίνεται να αποτελεί το μεγαλύτερο τμήμα της ύλης στο σύμπαν.

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι που μπορεί να σχηματίστηκαν μέσα στην κόλαση του πρώιμου Κόσμου οι αρχέγονες μαύρες τρύπες (PBH). Παραδείγματος χάριν, οι τότε πυκνές συγκεντρώσεις της ενέργειας συνδεδεμένες με εξωτικά ενεργειακά πεδία θα μπορούσαν να καταρρεύσουν κάτω από τη βαρύτητά τους - σύμφωνα με τη σχετικότητα του Einstein, η ενέργεια ασκεί βαρύτητα ακριβώς όπως η ύλη - για να κάνουν μαύρες τρύπες. Ένα τέτοιο ενεργειακό πεδίο είναι πιθανά υπεύθυνο για τη γρήγορη διαστολή του πρώιμου Κσμου, ένα φαινόμενο που καλούμαι πληθωρισμό.

Είναι δε δυνατή μια ευρεία ποικιλία μαζών για τις PBH, ανάλογα με το σενάριο του σχηματισμού τους. Οι μαύρες τρύπες με την ελάχιστη δυνατή μάζα, με μικρότερη από τη μάζα ενός κομήτη, ή 1 τρισεκατομμύριο κιλά, θα εξατμιζόταν γρήγορα μέσω της κβαντικής διαδικασίας γνωστής ως ακτινοβολία Hawking.

Εκρηκτικές μαύρες οπές

Υπάρχουν μη επιβεβαιωμένες αναφορές της ακτινοβολίας από ελαφρώς πιο μεγαλύτερης μάζας PBH, τα τελευταία ίχνη των οποίων θα εξατμίζονταν ακριβώς τώρα.

Μεγαλύτερης μάζας PBH, που μπορεί να γεννήθηκαν με μέχρι 100.000 φορές τη μάζα του ήλιου, θα μπορούσαν να επιζήσουν για να βάλουν μια σφραγίδα στο Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων (CMB), την ακτινοβολία που εκπέμφθηκε από τη θερμή ύλη κατά προσέγγιση 400.000 έτη μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη.

Κι αυτό επειδή οι μαύρες τρύπες εκπέμπουν ακτίνες X καθώς καταπίνουν ύλη από τα περίχωρά τους, και αυτές οι ακτίνες X μπορούν να δραπετεύσουν από τη γειτονιά των μαύρων οπών για να ιονίσουν άτομα υδρογόνου. Και το γεγονός αυτό θα είχε λεπτές επιπτώσεις στο πως η ίδια η ύλη κατανέμεται σε περιοχές υψηλής και χαμηλής πυκνότητας - μια κατανομή που αντανακλάται στην Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου Μικροκυμάτων.

Αυτή η επίδραση μπορεί να εξηγήσει μια μπερδεμένη απόκλιση μεταξύ των αποτελεσμάτων του Δορυφόρου Ανισοτροπίας Μικροκυμάτων Wilkinson (WMAP), που μέτρησε τη CMB, και μελέτες για το πώς είναι συγκεντρωμένοι οι γαλαξίες.

Οι δύο εργασίες διαφωνούν σε μια παράμετρο που ονομάζεται sigma8, που περιγράφει πώς συγκεντρώθηκε μαζί η ύλη στον πρώιμο Κόσμο. Αλλά σύμφωνα με μια πρόσφατη μελέτη με επικεφαλής το Massimo Ricotti του πανεπιστημίου της πολιτείας Μέρυλαντ στο College Park, οι δύο μετρήσεις συμφωνούν εάν συμπεριλαμβάνονται στα μοντέλα οι οι PBH.

Όμως ο ίδιος ο Ricotti λέει ότι είναι πολύ νωρίς για να ισχυριστεί ότι υπάρχουν αποδεικτικά στοιχεία για τις αρχέγονες μαύρες τρύπες. Είναι ακόμα δυνατό ότι ο λεπτομερής έλεγχος των μετρήσεων θα τους φέρει σε συμφωνία χωρίς την επίκληση αυτών των εξωτικών αντικειμένων, ισχυρίζεται.

Η πρώτη μελέτη άστρων

Η μελέτη του, επίσης, προτείνει ότι το φαινόμενο ιονισμού των PBH θα είχε βοηθήσει να ανάψει ο σπινθήρας σχηματισμού των πρώτων άστρων στον Κόσμο. Η παρουσία ελεύθερων ηλεκτρονίων βοηθά ζεύγη των ατόμων υδρογόνου να ενωθούν και να διαμορφώσουν το μοριακό υδρογόνο. "Σχηματίζεται πολύ μοριακό υδρογόνο - περίπου 10 έως 100 φορές περισσότερο από όσο θα σχηματιζόταν εάν δεν υπήρχαν οι αρχέγονες μαύρες τρύπες", τονίζει ο Ricotti.

Το μοριακό υδρογόνο βοηθά ώστε να ψυχθούν νέφη αερίου με την εκπομπή ακτινοβολίας, επιτρέποντας έτσι στα νέφη να συμπυκνωθούν φτιάχνοντας αστέρια. Ο Ricotti πιστεύει ότι το νέο Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb, που σχεδιάζεται να προωθηθεί το 2013, μπορεί να είναι σε θέση να ανιχνεύσει αυτήν την αύξηση του σχηματισμού των αστεριών.

Ίσως το πιο περίεργο είναι ότι εάν οι αρχέγονες μαύρες τρύπες επιζούν σε αρκετά μεγάλους αριθμούς σήμερα, τότε τα νέφη τους θα μπορούσαν να αποτελούν μέρος ή ακόμα και όλη τη μυστήρια σκοτεινή ύλη.

Το κύριο πρόβλημα με αυτή την πιθανότητα είναι ότι δεν είναι σαφές εάν οι συνθήκες που απαιτούνται για να σχηματιστούν οι PBH σε μεγάλους αριθμούς,  εμφανίστηκαν ποτέ στον Κόσμο μας.

Στο σενάριο σχηματισμού που περιλαμβάνει το πεδίο πληθωρισμού, παραδείγματος χάριν, ο αριθμός των αρχέγονων οπών PBH που σχηματίζονται εξαρτάται από άγνωστα μεγέθη, όπως είναι το μέγεθος των διακυμάνσεων στο πεδίο πληθωρισμού. "Σε μερικά πληθωριστικά μοντέλα, μπορούν να σχηματιστούν πολλές PBH, σε άλλα διαμορφώνονται πολύ λίγες από αυτές", αναφέρει ο Ricotti. "Δεν είναι προφανές εάν αυτές σχηματίζονται σε ικανοποιητικούς αριθμούς για να είναι ενδιαφέρουσες."

Παράθυρο στο παρελθόν

Είναι πιθανό ότι πολύ μεγάλα ποσά ιονισμού στον πρώιμο Κόσμο - ενδεχομένως να οφείλεται στις ακτίνες X που εκπέμπονται από τις PBH - να μπορούσαν να ανιχνευθούν από το δορυφόρο Planck της Ευρώπης, που σχεδιάστηκε να προωθηθεί στα μέσα του 2008, λέει το μέλος της ομάδας WMAP Rachel Bean του πανεπιστημίου Cornell στην Ιθάκη της Νέας Υόρκης. "Είναι κατανοητό ότι τέτοια αποτελέσματα θα μπορούσαν να μετρηθούν από το δορυφόρο Planck",  λέει η Bean.

Εάν προκύψουν ποτέ πειστικά στοιχεία για τις αρχέγονες μαύρες τρύπες, τότε θα έδιναν στους επιστήμονες ένα εξαιρετικά σημαντικό παράθυρο του Κόσμου μας στις απαρχές του χρόνου. "Η παρουσίαση αποδείξεων ότι υπάρχουν ακόμη και πολύ λίγες αρχέγονες μαύρες τρύπες, θα μας δίδασκε πολλά για τον πρώιμο Κόσμο", λέει ο Ricotti. "Δεν ξέρουμε και πολλά για εκείνες τις εποχές."

Η μάζα των μαύρων οπών θα μας αποκάλυπτε το χρόνο στον οποίο σχηματίστηκαν, επειδή τα διαφορετικά σενάρια για το σχηματισμό τους εμφανίζονται σε διαφορετικούς χρόνους και δίνουν φυσικά διαφορετικές μάζες. Εάν σχηματίστηκαν στο τέλος του πληθωρισμού, τότε η ύπαρξή τους θα αποκάλυπτε σημαντικές πληροφορίες για τη σκοτεινή φυσική αυτής της περιόδου της γρήγορης διαστολής.

"Θα μπορούσατε να αποκλείσετε τα μοντέλα του πληθωρισμού που δεν θα παράγουν αυτές τις μαύρες τρύπες", λέει ο φυσικός James Chisholm του Νότιου Πανεπιστημίου της πολιτείας Utah. "Κάποιος τότε θα έπαιρνε πιθανώς ένα βραβείο Νόμπελ."

Το 2001 επιστήμονες του πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Λος Άντζελες ανακοίνωσαν ότι μπορεί μικροσκοπικές μαύρες τρύπες να εκρήγνυται σε όλη την κοσμική γειτονιά μας. Και οι εκρήξεις αυτές θα μπορούσαν να εξηγήσουν μια κατηγορία ασυνήθιστων εκρήξεων ενέργειας που έχουν παρατηρηθεί εδώ στη Γη.

Οι εκρήξεις ακτίνων-γ απελευθερώνουν ενέργεια κατά θεαματικό τρόπο, και για μερικά δευτερόλεπτα μπορούν να επισκιάσουν όλες τις άλλες στον Κόσμο. Μπορούν να προέλθουν από οποιοδήποτε μέρος του ουρανού, και οι αστρονόμοι έχουν καταλήξει στο συμπέρασμα ότι παράγονται στην ίδια την άκρη του Κόσμου, πιθανότατα στις υπέρλαμπρες πύρινες βολίδες που δημιουργούνται κατά τη γέννηση ή κατά τη συγχώνευση αστρικών μαύρων οπών.

Όμως το μοντέλο αυτό λένε οι David Cline, Christina Matthey και Stanislaw Otwinowski δεν ισχύει για τις εκρήξεις που διαρκούν λιγότερο από 100 χιλιοστά του δευτερολέπτου, που αποτελούν τις 42 από τις 3000 εκρήξεις που παρατήρησαν μέχρι το 2001.

Αυτές οι σύντομες εκρήξεις ακτίνων γάμμα δεν προέρχονται από όλες τις κατευθύνσεις, ούτε συγκεντρώνονται στο δίσκο του Γαλαξία μας ή στο κέντρο του, όπως θα περιμέναμε αν συνδέονταν με τα αστέρια. Αλλά υπάρχει ένας υπαινιγμός μιας συγκέντρωσης τους προς τον σπειροειδή βραχίονα που λέγεται Ωρίωνας του Γαλαξία μας, ο επόμενος σπειροειδής βραχίονας μετά από τον ήλιο.

Οι σύντομες εκρήξεις που προσδιορίστηκαν από τον Cline είχαν τα ίδια χαρακτηριστικά, γι αυτό και μάλλον προκαλούνται από παρόμοια γεγονότα. Ο Cline πρότεινε τότε ότι με τις σύντομες εκρήξεις ακτίνων γάμμα βλέπουμε στην ουσία την εκπυρσοκρότηση μικροσκοπικών μαύρων οπών που σχηματίστηκαν κατά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Οι μαύρες τρύπες πιστεύουμε πως τελειώνουν τη ζωή τους με μια βίαια έκρηξη ενέργειας, που ονομάζεται ακτινοβολία Hawking. Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα τους, τόσο περισσότερο επιζούν προτού να συμβεί αυτό. Για  μαύρες τρύπες που πεθαίνουν σήμερα, περίπου 14 δισεκατομμύρια έτη μετά από το big bang, θα έπρεπε να έχουν μια μάζα 100 εκατομμυρίων τόνων - είναι το βάρος ενός μικρού βουνού - και έχουν δημιουργηθεί όταν η ηλικία του Κόσμου ήταν μικρότερη από 10^-27 του ενός δευτερολέπτου.

Αν η υπόθεση των τριών αμερικανών ερευνητών είναι σωστή, τότε κάθε κύβος του διαστήματος πλάτους μερικών ετών φωτός στην κοσμική γειτονιά μας θα μπορούσε να περιέχει περίπου 10 δισεκατομμύρια αρχέγονες μαύρες τρύπες που περιμένουν να πεθάνουν μέσα σε μια βίαιη έκρηξη.

Κάθε δε χρόνο στον ίδιο όγκο μερικές από αυτές θα πυροδοτηθούν, και η κάθε μία θα ελευθερώσει ενέργεια 100 δισεκατομμύρια βόμβες υδρογόνου του ενός μεγάτονου.

Βεβαίως άλλοι αστρονόμοι, όπως ο Roger Blandford του Τεχνολογικού Ιδρύματος της Καλιφόρνιας, έχουν τις αμφιβολίες τους.

Ο Cline προτείνει να εξεταστεί ο τρόπος που η φωτεινότητα αλλάζει κατά τη διάρκεια των εκρήξεων. Αν οι διακυμάνσεις κρατούν λίγα νανοδευτερόλεπτα θα υποστήριζαν την ιδέα ότι η πηγή είναι ένα πολύ μικρό αντικείμενο, όπως μια αρχέγονη μαύρη τρύπα.