Τα βαρυτικά κύματα και η προέλευση των μαύρων τρυπών. Gravitational waves could shed light on the origin of black holes

Οι ανιχνεύσεις βαρυτικών κυμάτων από συγχώνευσεις μαύρων τρυπών στις απομακρυσμένες περιοχές του σύμπαντος θα μπορούσαν να μας αποκαλύψουν την προέλευση των μαύρων τρυπών: προκύπτουν μόνο ως υπολείμματα μετά τον θάνατο των άστρων ή  υπάρχουν και αρχέγονες μαύρες τρύπες που σχηματίστηκαν στο πρώιμο σύμπαν από την απευθείας συσσώρευση βαρυονικής ύλης; The LIGO experiment has made several detections of colliding black holes. Future gravitational wave experiments might detect such events much further back in time, which could shed light on how black holes form. Credit: RUSSELL KIGHTLEY/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Οι πρόσφατες ανακαλύψεις των βαρυτικών κυμάτων από συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών και άστρων νετρονίων έχουν οδηγήσει σε μια νέα εποχή της αστρονομίας. Πλέον μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τα δεδομένα των ανιχνευόμενων βαρυτικών κυμάτων για να διερευνήσουμε φαινόμενα που διαφορετικά θα παρέμεναν αόρατα. Θα μπορούσαμε, για παράδειγμα, να ρίξουμε φως στην προέλευση των μαύρων τρυπών.

Σύμφωνα με την καθιερωμένη θεωρία οι μαύρες τρύπες αποτελούν τα απομεινάρια του εντυπωσιακού φινάλε της ζωής των άστρων ως εκρήξεις σουπερνόβα, το οποίο σημαίνει ότι οι μαύρες τρύπες δεν θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί νωρίτερα από τα πρώτα άστρα. 

Οι Σάββας Κουσιάππας του Πανεπιστημίου Brown και Abraham Loeb του Πανεπιστημίου Harvard βρήκαν τρόπο για να ελεγχθεί αυτή ιδέα κάνοντας θεωρητικούς υπολογισμούς για την αρχέγονη εποχή, στην οποία θα μπορούσαν να σχηματιστούν βαρυονικές μαύρες τρύπες από την απευθείας συσσώρευση βαρυονικής ύλης – της συνηθισμένης ύλης των άστρων και των πλανητών [Maximum Redshift of Gravitational Wave Merger Events].

Υποθέτοντας ότι ο σχηματισμός των μαύρων τρυπών ακολουθεί τον σχηματισμό των άστρων, οι ερευνητές υπολογίζουν τον ρυθμό με τον οποίο ανιχνεύονται οι συγκρούσεις μαύρων τρυπών σε μεγάλες ερυθρές μετατοπίσεις.

Διαπίστωσαν ότι για μια ερυθρά μετατόπιση z≥40 – όπου τα παρατηρούμενα αντικείμενα σχηματίστηκαν κατά τα πρώτα 65 εκατομμύρια χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη – ο ρυθμός των συγκρούσεων θα έπρεπε να έχει μειωθεί σε λιγότερο από μία ανά έτος. 

Τα βαρυτικά κύματα θα μπορούσαν να μας αποκαλύψουν την προέλευση των μαύρων τρυπών. Observations of black hole mergers in the very distant Universe could indicate whether all black holes form from stars. 

Αυτή η εποχή θα μπορεί να μελετηθεί από την επόμενη γενιά ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων. Εάν οι ανιχνευτές αυτοί διαπιστώσουν ότι οι μαύρες τρύπες συγχωνεύονταν συχνότερα από μία φορά το χρόνο κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, τότε σχηματίστηκαν τουλάχιστον μερικές μαύρες τρύπες πριν από τα άστρα: Αυτές είναι είτε αρχέγονα υπολείμματα του νηπιακού σύμπαντος είτε προϊόντα ασυνήθιστα πυκνών περιοχών που είναι πιο συχνά σε σχέση με τις προβλέψεις των τωρινών θεωρητικών μοντέλων. Η εύρεση αποδείξεων για την ύπαρξη των αρχέγονων μαύρων τρυπών θα μπορούσε να ρίξει φως στη φύση της σκοτεινής ύλης ή στην προέλευση της κοσμικής δομής στο πρώιμο Σύμπαν.

Πηγές: https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.119.221104 - physicsgg