Oι αρχέγονες μαύρες τρύπες και η αναζήτηση σκοτεινής ύλης από το πολυσύμπαν. Primordial black holes and the search for dark matter from the multiverse

Σύμπαντα-μωρά που δημιουργήθηκαν μετά την Μεγάλη Έκρηξη και διαχωρίστηκαν από το  σύμπαν μας θα μπορούσαν να εντοπιστούν από οπτικά τηλεσκόπια ως αρχέγονες μαύρες τρύπες. Baby universes branching off of our universe shortly after the Big Bang appear to us as black holes. Credit:Kavli IPMU

Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες προς το παρόν βρίσκονται στο μυαλό των θεωρητικών φυσικών. Υποτίθεται πως σχηματίστηκαν στο αρχέγονο σύμπαν πριν από τον σχηματισμό των άστρων και των γαλαξιών και μπορεί να ευθύνονται για μερικά από τα παρατηρούμενα βαρυτικά κύματα, αλλά και για τις τεράστιες μαύρες τρύπες που βρίσκονται στα κέντρα των γαλαξιών (και στον δικό μας). Θα μπορούσαν επίσης να παίζουν ρόλο στην σύνθεση βαρέων στοιχείων όταν συγκρούονται και καταστρέφουν αστέρες νετρονίων, όπου εξαιτίας της μεγάλης πυκνότητας νετρονίων, παράγονται βαρείς πυρήνες διαμέσου της λεγόμενης γρήγορης διαδικασίας (r-process). Επιπλέον, υπάρχει και η συναρπαστική πιθανότητα η μυστηριώδης σκοτεινή ύλη, η οποία αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος της ύλης στο σύμπαν, να συνίσταται από αρχέγονες μαύρες τρύπες.

Το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 2020 απονεμήθηκε στον θεωρητικό φυσικό Roger Penrose, και τους δύο αστρονόμους, Reinhard Genzel και Andrea Ghez, για τις ανακαλύψεις τους που επιβεβαιώνουν την ύπαρξη μαύρων τρυπών. Δεδομένου ότι οι μαύρες τρύπες είναι γνωστό ότι υπάρχουν στη φύση, αποτελούν έναν ελκυστικό υποψήφιο για την σκοτεινή ύλη.

Μια ομάδα από φυσικούς στοιχειωδών σωματιδίων, κοσμολόγους και αστρονόμους, για να μάθει περισσότερα σχετικά με τις αρχέγονες μαύρες τρύπες έψαξε στο αρχέγονο σύμπαν για σχετικά στοιχεία.  Το αρχέγονο σύμπαν ήταν τόσο πυκνό που κάθε θετική διακύμανση πυκνότητας πάνω από 50% θα δημιουργούσε μια μαύρη τρύπα. Ωστόσο, οι κοσμολογικές διαταραχές που δημιούργησαν τους γαλαξίες είναι γνωστό πως είναι πολύ μικρότερες. Παρ’ όλα αυτά, ένας ορισμένος αριθμός διαδικασιών στο αρχέγονο σύμπαν θα μπορούσε να δημιουργήσει τις κατάλληλες συνθήκες για τον σχηματισμό μαύρων τρυπών.

Ένα ενδιαφέρον ενδεχόμενο είναι ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να σχηματιστούν από «σύμπαντα-μωρά» που δημιουργήθηκαν κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού, την κοσμολογική περίοδο ταχύτατης διαστολής του σύμπαντος η οποία πιστεύεται πως ευθύνεται για τον σχηματισμό των δομών που παρατηρούμε σήμερα, όπως οι γαλαξίες και τα σμήνη των γαλαξιών. Κατά την διάρκεια της πληθωριστικής διαστολής, τα σύμπαντα-μωρά μπορούν να διαχωριστούν από το αρχικό σύμπαν. Ένα μικρό θυγατρικό σύμπαν θα μπορούσε τελικά να καταρρεύσει, αλλά η μεγάλη ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται στον μικρό του όγκο προκαλεί τον σχηματισμό μιας μαύρης τρύπας.

Ακόμα πιο περίεργη είναι η μοίρα ενός μεγαλύτερου σύμπαντος-μωρού. Αν λοιπόν είναι μεγαλύτερο από κάποιο κρίσιμο μέγεθος, η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν επιτρέπει το εν λόγω σύμπαν να υπάρχει σε μια κατάσταση που φαίνεται διαφορετική σε έναν παρατηρητή στο εσωτερικό του, σε σχέση με έναν παρατηρητή στο εξωτερικό του. Ένας εσωτερικός παρατηρητής το βλέπει ως διαστελλόμενο σύμπαν, ενώ ένας εξωτερικός παρατηρητής (όπως εμείς) το βλέπει σαν μια μαύρη τρύπα. Και στις δυο περιπτώσεις, τα μεγάλα και τα μικρά θυγατρικά σύμπαντα φαίνονται σε μας ως αρχέγονες μαύρες τρύπες, οι οποίες κρύβουν πίσω από τους «ορίζοντες των γεγονότων τους» ολόκληρα σύμπαντα. Ο ορίζοντας των γεγονότων είναι ένα όριο πέρα από το οποίο οτιδήποτε το διασχίζει, ακόμη και το φως, εγκλωβίζεται δια παντός και δεν μπορεί να διαφύγει από την μαύρη τρύπα.

Hyper Suprime-Cam (HSC): μια γιγαντιαία ψηφιακή κάμερα στο τηλεσκόπιο Subaru. Hyper Suprime-Cam (HSC) is a gigantic digital camera on the Subaru Telescope Credit：HSC project / NAOJ

Στην εργασία τους με τίτλο ‘Exploring Primordial Black Holes from the Multiverse with Optical Telescopes’, οι Kusenko et al περιγράφουν ένα νέο σενάριο για τον σχηματισμό των αρχέγονων μαύρων τρυπών και δείχνουν ότι οι μαύρες τρύπες από το σενάριο του ‘πολυσύμπαντος’ μπορούν να βρεθούν χρησιμοποιώντας μια γιγαντιαία κάμερα (Hyper Suprime-Cam ή συντομογραφικά HSC) του τηλεσκοπίου Subaru στην Χαβάη.

Ένα άστρο στον γαλαξία της Ανδρομέδας προσωρινά γίνεται λαμπρότερο αν μια αρχέγονη μαύρη τρύπα περάσει μπροστά από το άστρο, διότι το φως του εστιάζεται σύμφωνα με την γενική θεωρία της σχετικότητας. A star in the Andromeda galaxy temporarily becomes brighter if a primordial black hole passes in front of the star, focusing its light in accordance with the theory of gravity. Credit: Kavli IPMU/HSC Collaboration

Η εν λόγω κάμερα έχει την μοναδική ικανότητα να απεικονίζει ολόκληρο τον γαλαξία της Ανδρομέδας κάθε λίγα λεπτά. Αν μια μαύρη τρύπα διασχίσει την γραμμή παρατήρησης του τηλεσκοπίου, μπροστά από ένα άστρο, η βαρύτητα της μαύρης τρύπας καμπυλώνει το φως του κάνοντάς το να φαίνεται λαμπρότερο για ένα μικρό χρονικό διάστημα. Από την διάρκεια αυτής της λαμπρότητας οι αστρονόμοι μπορούν να υπολογίσουν την μάζα της διερχόμενης μαύρης τρύπας. Με την κάμερα HSC είναι δυνατή η ταυτόχρονη παρατήρηση εκατό εκατομμυρίων άστρων, κάτι που ισοδυναμεί με ένα μεγάλο ‘δίχτυ’ για τις αρχέγονες μαύρες τρύπες που πιθανόν να διασχίσουν το οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου.

Οι πρώτες παρατηρήσεις της HSC έχουν αναφέρει ήδη μια πολύ ενδιαφέρουσα παρατήρηση, που θα μπορούσε να είναι μια αρχέγονη μαύρη τρύπα από το ‘πολυσύμπαν’, με μια μάζα συγκρίσιμη με την μάζα της Σελήνης. Μετά από αυτό το ενθαρρυντικό πρώτο εύρημα, ένας νέος γύρος παρατηρήσεων θα ξεκινήσει για να δοθεί μια οριστική απάντηση για το αν οι – βγαλμένες από το σενάριο του πολυσύμπαντος – αρχέγονες μαύρες τρύπες θα είναι η λύση του μυστηρίου της σκοτεινής ύλης.

Πηγές: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.181304 - https://www.ipmu.jp/en/20201224-PBH-multiverse - https://physicsgg.me/2021/01/02/