Φυσικοί από το Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης στο Άμχερστ (UMass Amherst) προβλέπουν ότι υπάρχει έως και 90% πιθανότητα να συμβεί μια έκρηξη μαύρης τρύπας μέσα στην επόμενη δεκαετία, φέρνοντας «επανάσταση στη φυσική και ξαναγράφοντας την ιστορία του σύμπαντος».
Οι φυσικοί πιστεύουν εδώ και πολλά χρόνια ότι οι μαύρες τρύπες ολοκληρώνουν τη ζωή τους σε σπάνιες εκρήξεις που συμβαίνουν, το πολύ, μία φορά κάθε 100.000 χρόνια. Νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters από φυσικούς του Πανεπιστημίου της Μασαχουσέτης στο Άμχερστ παρουσιάζει μια διαφορετική προοπτική. Η ομάδα εκτιμά ότι υπάρχει πιθανότητα μεγαλύτερη από 90% να συμβεί μία τέτοια έκρηξη μέσα στην επόμενη δεκαετία. Εάν οι παρατηρητές προετοιμαστούν εκ των προτέρων, τα σημερινά διαστημικά και επίγεια παρατηρητήρια θα πρέπει να μπορούν να καταγράψουν το γεγονός.
Μια τέτοια έκρηξη θα υποστήριζε έντονα την ύπαρξη ενός είδους μαύρης τρύπας που υπάρχει στη θεωρία, αλλά δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ και το οποίο ονομάζεται «αρχέγονη μαύρη τρύπα» (PBH), η οποία μπορεί να σχηματίστηκε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη πριν από 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια.
Η έκρηξη θα μπορούσε επίσης να παρέχει μια οριστική καταγραφή όλων των υποατομικών σωματιδίων. Αυτή η λίστα θα περιλάμβανε γνωστά σωματίδια όπως ηλεκτρόνια, κουάρκ, και μποζόνια Higgs, προτεινόμενα σωματίδια όπως υποψήφιους σκοτεινής ύλης, καθώς και οτιδήποτε άλλο είναι προς το παρόν άγνωστο στη επιστήμη. Με ένα τέτοιο κατάλογο, οι ερευνητές θα μπορούσαν επιτέλους να αντιμετωπίσουν μία από τις αρχαιότερες ερωτήσεις της ανθρωπότητας: από πού προήλθε όλο το σύμπαν;
Καταλαβαίνοντας τις μαύρες τρύπες
Γνωρίζουμε πως υπάρχουν μαύρες τρύπες και έχουμε καταλάβει καλά τον κύκλο της ζωής τους: Είναι ένα αρχαίο, μεγάλο αστέρι που μένει χωρίς καύσιμη ύλη και εκρήγνυται σε μια πολύ ισχυρή σούπερνοβα αφήνοντας πίσω μια περιοχή χωροχρόνου με τότε έντονη βαρύτητα ώστε τίποτα, ούτε καν το φως, δεν μπορεί να διαφύγει. Οι μαύρες τρύπες είναι απίστευτα βαριές και ουσιαστικά σταθερές.
Όπως επισήμανε ο φυσικός Stephen Hawking το 1970, ένα άλλο είδος μαύρης τρύπας – μια πρωτογενής μαύρη τρύπα (PBH), θα μπορούσε να είχε δημιουργηθεί όχι από την κατάρρευση ενός αστέρα, αλλά από τις πρωταρχικές συνθήκες του σύμπαντος λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Οι PBHs, όπως οι κανονικές μαύρες τρύπες είναι τόσο πυκνές που σχεδόν τίποτα δεν μπορεί να τους ξεφύγει – γι’ αυτό και ονομάζονται “μαύρες”.
Ωστόσο, παρά την πυκνότητά τους, οι PBHs θα μπορούσαν να είναι πολύ ελαφρύτερες από τις μαύρες τρύπες που έχουμε παρατηρήσει μέχρι τώρα.
Ακόμη, ο Hawking έδειξε πως οι μαύρες τρύπες έχουν θερμοκρασία και θα μπορούσαν, θεωρητικά, να εκπέμπουν σωματίδια αργά μέσω του φαινομένου που είναι γνωστό ως “ακτινοβολία του Hawking”, αν θερμανθούν αρκετά.
«Όσο πιο ελαφριά είναι μια μαύρη τρύπα, τόσο πιο καυτή θα πρέπει να είναι και τόσο περισσότερα σωματίδια θα εκπέμπει. Καθώς οι πρωταρχικές μαύρες τρύπες εξατμίζονται, γίνονται όλο και πιο ελαφριές και, επομένως, πιο καυτές, εκπέμποντας ακόμα περισσότερη ακτινοβολία σε μια ανεξέλεγκτη διαδικασία μέχρι την έκρηξη. Είναι αυτή η ακτινοβολία Hawking που μπορεί ν’ ανιχνευθεί από τα τηλεσκόπιά μας», λέει η Andrea Thamm, συνεργάτης συγγραφέας και επίκουρη καθηγήτρια φυσικής στο UMass Amherst.
Ωστόσο, ενώ θα έπρεπε να μπορούμε, κανείς δεν έχει παρατηρήσει άμεσα ποτέ μια PBH. «Γνωρίζουμε πώς να παρατηρούμε την ακτινοβολία Hawking», είπε ο Joaquim Iguaz Juan, μεταδιδακτορικός ερευνητής φυσικής στο UMass Amherst. «Μπορούμε να το δούμε με τα σύγχρονα τηλεσκόπια, και επειδή οι μόνες μαύρες τρύπες που μπορούν να εκραγούν σήμερα ή στο εγγύς μέλλον, είναι οι PBH, γνωρίζουμε πως αν δούμε ακτινοβολία Hawking, βλέπουμε μια PBH να εκρήγνυται».
Αλλαγή παραδείγματος στις προσδοκίες
Αν και οι φυσικοί από την εποχή του Hawking, πίστευαν πως οι πιθανότητες να παρατηρήσουμε την έκρηξη μιας PBH είναι απειροελάχιστα ισχνές, ο Iguaz Juan σημειώνει πως, «το έργο των φυσικών είναι ν’ αμφισβητήσουμε τις αποδεκτές υποθέσεις, να θέτουμε καλύτερες ερωτήσεις και να διατυπώνουμε πιο ακριβείς υποθέσεις».
Η νέα υπόθεση της ομάδας; Ας είμαστε έτοιμοι να δούμε την έκρηξη. «Πιστεύουμε πως οι πιθανότητες να δούμε μία PBH να εκρήγνυται είναι έως και 90% μέσα στα επόμενα 10 χρόνια», εξηγεί ο Aidan Symons, ένας από τους συγγραφείς της μελέτης και απόφοιτος του τμήματος φυσικής στο UMass Amherst.
Στη εργασία της, η ομάδα εξετάζει ένα «μοντέλο σκοτεινής κβαντικής εξισορρόπησης» (dark-QED toy model)». Πρόκειται ουσιαστικά για μια αντιγραφή της συνηθισμένης ηλεκτρικής ισχύος όπως τη γνωρίζουμε, αλλά που περιλαμβάνει μια πολύ βαριά, υποθετική εκδοχή του ηλεκτρονίου, την οποία η ομάδα ονομάζει «σκοτεινό ηλεκτρόνιο».
Η ομάδα στη συνέχεια επανεξέτασε μακροχρόνιες υποθέσεις σχετικά με το ηλεκτρικό φορτίο των μαύρων τρυπών. Οι κανονικές μαύρες τρύπες δεν έχουν φορτίο, και θεωρούνταν ότι οι PBH είναι επίσης ηλεκτρικά ουδέτερες.
«Κάνουμε μια διαφορετική υπόθεση», λέει ο Michael Baker, συνεργάτης συγγραφέας και επίκουρος καθηγητής φυσικής στο UMass Amherst. «Δείχνουμε ότι αν μια αρχέγονη μαύρη τρύπα σχηματιστεί με ένα μικρό σκοτεινό ηλεκτρικό φορτίο, τότε το μοντέλο παιχνιδιού προβλέπει ότι θα πρέπει να σταθεροποιηθεί προσωρινά πριν τελικά εκραγεί.» Λαμβάνοντας υπόψη όλα τα γνωστά πειραματικά δεδομένα, η ομάδα καταλήγει ότι θα μπορούσαμε ενδεχομένως να παρατηρήσουμε μια έκρηξη PBH όχι μία φορά κάθε 100.000 χρόνια όπως πιστευόταν προηγουμένως, αλλά μία φορά κάθε 10 χρόνια.
«Δεν ισχυριζόμαστε ότι θα συμβεί οπωσδήποτε αυτή τη δεκαετία», λέει ο Baker, «αλλά θα μπορούσε να υπάρχει πιθανότητα 90% να συμβεί. Δεδομένου ότι ήδη διαθέτουμε την τεχνολογία για να παρατηρήσουμε αυτές τις εκρήξεις, θα πρέπει να είμαστε έτοιμοι.»
Ο Iguaz Juan προσθέτει: «Αυτό θα ήταν η πρώτη άμεση παρατήρηση τόσο της ακτινοβολίας Hawking όσο και μιας PBH. Θα αποκτούσαμε επίσης ένα οριστικό αρχείο όλων των σωματιδίων που αποτελούν τα πάντα στο σύμπαν. Θα μπορούσε να φέρει την επανάσταση στη φυσική και θα μας βοηθούσε να ξαναγράψουμε την ιστορία του σύμπαντος.»