Η σύνθεση των βαρέων στοιχείων οφείλεται στις αρχέγονες μαύρες τρύπες; Physicists propose new theories of black holes from the very early universe

The theory that primordial black holes collide with neutron stars to create heavy elements explains the lack of neutron stars in the center of the Milky Way galaxy, a long-standing mystery. Credit: University of California, Los Angeles

Φυσικοί από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, στο Λος Άντζελες (UCLA), προτείνουν νέες θεωρίες που μεταξύ άλλων θα μπορούσαν να εξηγήσουν πως σχηματίστηκαν τα βαρέα στοιχεία όπως ο χρυσός, ο λευκόχρυσος και το ουράνιο. Κεντρικό ρόλο στις θεωρίες αυτές κατέχουν οι μαύρες τρύπες που σχηματίστηκαν στο πρώιμο σύμπαν. Δυο σχετικές εργασίες τους δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Physical Review Letters.

Ένας προβληματισμός που βασανίζει πολλά χρόνια τους αστροφυσικούς είναι αν οι πρώτες μαύρες τρύπες στο σύμπαν δημιουργήθηκαν ένα δευτερόλεπτο (ή και λιγότερο) μετά την Μεγάλη Έκρηξη ή αν σχηματίστηκαν εκατομμύρια χρόνια μετά από την βαρυτική κατάρρευση των πρώτων άστρων.

Οι Alexander Kusenko και Eric Cotner υποστηρίζουν μια θεωρία σύμφωνα με την οποία οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να σχηματιστούν σχεδόν αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη, πολύ πριν αρχίσουν να λάμπουν τα πρώτα άστρα. Στο παρελθόν είχε προταθεί ότι οι αποκαλούμενες αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να εξηγήσουν το σύνολο ή ένα μέρος της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης του σύμπαντος και να έχουν προκαλέσει επίσης τον σχηματισμό των τεράστιων μαύρων τρυπών στα κέντρα των γαλαξιών.

Σύμφωνα με τη νέα θεωρία οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να έχουν συμβάλλει στην δημιουργία πολλών βαρέων στοιχείων που υπάρχουν στη φύση.

Οι εν λόγω ερευνητές θεωρούν ότι ένα ομοιόμορφο πεδίο ενέργειας διαπότιζε το σύμπαν αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Αφού το σύμπαν διαστελλόταν πολύ γρήγορα, αυτό το ενεργειακό πεδίο διαχωρίζονταν σε συστάδες. Η βαρύτητα θα μπορούσε να προκαλέσει την έλξη και συγχώνευση αυτών των συστάδων. Οι ερευνητές του UCLA προτείνουν ότι ένα μικρό κλάσμα αυτών των αυξανόμενων συσσωρεύσεων έγινε τόσο πυκνό ώστε να μετατραπεί σε μαύρες τρύπες. Ο Kusenko υποστηρίζει ότι η υπόθεσή τους είναι αρκετά γενική και δεν βασίζεται σε αυτό που ονομάζεται «απίθανες συμπτώσεις» που υποστηρίζουν άλλες θεωρίες των αρχέγονων μαύρων τρυπών.

Σύμφωνα με την δημοσίευση είναι δυνατόν να αναζητήσουμε αυτές τις αρχέγονες μαύρες τρύπες χρησιμοποιώντας αστρονομικές παρατηρήσεις. Μια μέθοδος περιλαμβάνει την μέτρηση των πολύ μικροσκοπικών αλλαγών στην λαμπρότητα ενός άστρου που οφείλονται στις βαρυτικές επιδράσεις μιας αρχέγονης μαύρης τρύπας που διέρχεται μπροστά από το συγκεκριμένο άστρο. Πριν από λίγο καιρό αμερικανοί και ιάπωνες αστρονόμοι δημοσίευσαν ένα άρθρο σχετικά με την ανακάλυψη ενός άστρου σε έναν κοντινό γαλαξία του οποίου η λαμπρότητα μεταβλήθηκε ακριβώς όπως θα συνέβαινε αν μια αρχέγονη μαύρη τρύπα διερχόταν από μπροστά του.

Ashley Mackenzie for Quanta Magazine

Σε μια δεύτερη δημοσίευση οι Kusenko, Volodymyr Takhistov και ο George Fuller, θεωρούν ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες μπορούν να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στον σχηματισμό βαρέων στοιχείων όμως χρυσός, άργυρος, λευκόχρυσος και ουράνιο, που βρίσκεται σε εξέλιξη στους γαλαξίες.

Η προέλευση αυτών των στοιχείων αποτελεί ένα ενοχλητικό μυστήριο για τους ερευνητές. Ενώ γνωρίζουν πως υπάρχουν, δεν είναι σίγουροι που σχηματίστηκαν αυτά τα στοιχεία.

Μια μαύρη τρύπα συλλαμβάνεται από ένα άστρο νετρονίων. A black hole captured by a neutron star. Credit: Alexander Kusenko/UCLA

Σύμφωνα με την πρόσφατη εργασία των φυσικών του UCLA αν μια αρχέγονη μαύρη τρύπα συγκρουστεί με ένα άστρο νετρονίων (ένα ταχέως περιστρεφόμενο υπόλειμμα άστρου μετά από έκρηξη σουπερνόβα, που έχει το μέγεθος μιας πόλης) και στη συνέχεια αρχίζει να βυθίζεται στο εσωτερικό του. Όταν συμβεί κάτι τέτοιο η αρχέγονη μαύρη τρύπα «καταναλώνει» το άστρο νετρονίων εκ των ένδον, μια διαδικασία που διαρκεί περίπου 10.000 χρόνια. Καθώς το άστρο νετρονίων συρρικνώνεται, περιστρέφεται ακόμα πιο γρήγορα, προκαλώντας ενδεχομένως την αποκόλληση μικρών θραυσμάτων και την εκτόξευσή τους προς τα έξω.

Ο χρυσός και τα άλλα βαριά στοιχεία του περιοδικού μας συστήματος μπορούν να σχηματιστούν είτε κατά τη διάρκεια της έκρηξης των σουπερνόβα ή κατά την συγχώνευση δυο άστρων νετρονίων, διαμέσου της πυρηνικής διαδικασίας r. (Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine)

Σ’ αυτά τα θραύσματα, που συνίστανται από ύλη πλούσια σε νετρόνια, θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί η σύνθεση βαρύτερων στοιχείων, με μια διαδικασία  που ονομάζεται ταχεία σύλληψη νετρονίου ή διαδικασία r.

Artist’s depiction of a neutron star. Credit: NASA

Ωστόσο, η πιθανότητα σύλληψης ενός αστέρα νετρονίων από μια μαύρη τρύπα είναι πολύ σπάνια, κάτι που βρίσκεται σε συμφωνία με τις παρατηρήσεις ότι μόνο μερικοί γαλαξίες εμπλουτίζονται με βαριά στοιχεία. Η θεωρία σύγκρουσης αρχέγονων μαύρων τρυπών με αστέρες νετρονίων προς τον σχηματισμό βαρέων στοιχείων εξηγεί επίσης την παρατηρούμενη έλλειψη άστρων νετρονίων στο κέντρο του Γαλαξία μας – άλλο ένα άλυτο πρόβλημα στην αστροφυσική.

Ο Kusenko και οι συνεργάτες του θα συνεργαστούν με επιστήμονες του Πανεπιστημίου Princeton για να προσομοιώσουν με υπολογιστικά προγράμματα την παραγωγή βαρέων στοιχείων από την αλληλεπίδραση μαύρης τρύπας-άστρου νετρονίων. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων με τις παρατηρούμενες αφθονίες των βαρέων στοιχείων σε κοντινούς γαλαξίες, οι ερευνητές ελπίζουν να αποδείξουν (ή όχι) ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες είναι υπεύθυνες για τον χρυσό και τα άλλα βαρέα στοιχεία.

Πηγές: http://newsroom.ucla.edu/releases/ucla-physicists-propose-new-theories-of-black-holes-from-the-very-early-universe - https://physicsgg.me/2017/09/02/ - Primordial black holes and r-process nucleosynthesis, Physical Review Letters (2017). journals.aps.org/prl/accepted/ … 5a1a918b69bd6d2e6077