Αρχέγονες Μαύρες Τρύπες: Φυσικοί προτείνουν νέες θεωρίες για τις μαύρες τρύπες από το πολύ πρώιμο σύμπαν

Φυσικοί του UCLA πρότειναν νέες θεωρίες για το πώς μπορεί να έχουν διαμορφωθεί ο πρώτες μαύρες τρύπες του σύμπαντος και το ρόλο που μπορεί να έχουν παίξει στην παραγωγή βαρέων στοιχείων όπως χρυσός, πλατίνα και ουράνιο. Δυο μελέτες πάνω στις εργασίες τους δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Physical Review Letters.

Ένα για πολλά χρόνια υφιστάμενο ερώτημα στην αστροφυσική είναι εάν οι πρώτες-πρώτες μαύρες τρύπες του σύμπαντος εμφανίστηκαν σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη ή εάν αυτές διαμορφώθηκαν μόνο εκατομμύρια χρόνια αργότερα κατά τη διάρκεια των θανάτων των πρώτων άστρων. Ο Alexander Kusenko, καθηγητής φυσικής στο UCLA μαζί με τον μεταπτυχιακό σπουδαστή Eric Cotner, ανέπτυξαν μια συγκλονιστικά απλή νέα θεωρία υποστηρίζοντας ότι ο μαύρες τρύπες θα μπορούσε να έχουν διαμορφωθεί αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, πολύ πριν τα άστρα αρχίσουν να λάμπουν. Οι αστρονόμοι έχουν υποστηρίξει προηγουμένως ότι αυτές οι αποκαλούμενες Αρχέγονες Μαύρες Τρύπες (primordial black hole – PBH) θα μπορούσαν να εξηγήσουν όλη ή ορισμένη από τη μυστήρια σκοτεινή ύλη του σύμπαντος και ότι μπορεί να έχουν αποτελέσει το σπόρο για τη διαμόρφωση των τεράστιων μελανών οπών που υπάρχουν στα κέντρα των γαλαξιών. Η νέα θεωρία προτείνει ότι οι PBHs μπορεί να έχουν βοηθήσει να δημιουργηθούν πολλά από τα βαρύτερα στοιχεία που βρίσκονται στη φύση.

Ο ερευνητές ξεκίνησαν θεωρώντας ότι ένα ομογενές πεδίο ενέργειας διαπότισε το σύμπαν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Ο επιστήμονες αναμένουν ότι τέτοια πεδία υπήρχαν στο μακρινό παρελθόν. Μετά που το σύμπαν ταχύτατα επεκτάθηκε, τη ενεργειακό αυτό πεδίο θα είχε χωριστεί σε σβώλους. Η βαρύτητα θα προκαλούσε αυτούς τους σβώλους να έλκουν ο ένας τον άλλον και να συγχωνεύονται. Οι ερευνητές του UCLA πρότειναν ότι ορισμένα μικρά θραύσματα από αυτούς τους αναπτυσσόμενους σβώλους έγιναν αρκετά πυκνά για να γίνουν μαύρες τρύπες. Η υπόθεσή τους είναι αρκετά γενική, υποστηρίζει ο Kusenko και δεν βασίζεται σε αυτό που αποκάλεσε «απίθανες συμπτώσεις» που υποστηρίζουν άλλες θεωρίες εξηγώντας τις PBHs.

Η μελέτη υποστηρίζει ότι είναι δυνατό να αναζητήσουν αυτές τις PBHs χρησιμοποιώντας αστρονομικές παρατηρήσεις. Μια μέθοδος περιλαμβάνει μέτρηση των πάρα πολύ μικρών αλλαγών στη φωτεινότητα ενός άστρου που προκύπτει από τις βαρυτικές επιδράσεις μιας PBH (αρχέγονης μαύρης τρύπας) που πέρασε μεταξύ γης και αυτού του άστρου. Νωρίτερα αυτή τη χρονιά, αστρονόμοι από τις ΗΠΑ και την Ιαπωνία δημοσίευσαν μελέτη με την ανακάλυψή τους άστρου σε κοντινό γαλαξία που έλαμπε και εξασθένιζε η φωτεινότητά του ακριβώς όπως [θα συνέβαινε] αν μια PBH είχε περάσει από μπροστά του.

Σε μια ξεχωριστή μελέτη, ο Kusenko, ο Volodymyr Takhistov, μεταδιδακτορικός ερευνητής και ο George Fuller, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, San Diego, πρότειναν ότι οι PBHs μπορεί να έχουν έναν σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό βαρέων στοιχείων όπως ο χρυσός, η πλατίνα (λευκόχρυσος) και το ουράνιο, τα οποία θα μπορούσαν να εξελιχθούν στον δικό μας και σε άλλους γαλαξίες. Η προέλευση αυτών των βαρέων στοιχείων αποτελεί ένα μυστήριο για τους ερευνητές. «Οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι αυτά τα βαρέα στοιχεία υπάρχουν, όμως δεν είναι σίγουροι που τα στοιχεία αυτά σχηματίστηκαν», αναφέρει ο Kusenko. «Αυτό είναι πραγματικά ενοχλητικό».

Η έρευνα του UCLA υποστηρίζει ότι μια PBH περιστασιακά συγκρούεται με ένα άστρο νετρονίων – το μεγέθους μιας μεγάλης πόλης περιστρεφόμενο υπόλειμμα ενός άστρου που έμεινε μετά από μια έκρηξη υπερκαινοφανούς (supernova) – και βυθίζεται στο εσωτερικό του. Όταν συμβαίνει αυτό, η αρχέγονη μαύρη τρύπα καταναλώνει το άστρο νετρονίων από μέσα, μια διαδικασία που παίρνει περίπου 10000 χρόνια. Καθώς το άστρο συρρικνώνεται, περιστρέφεται ακόμη γρηγορότερα, προκαλώντας τελικά θραύσματα που αποσπώνται και απομακρύνονται. Τα θραύσματα αυτά, με το πλούσιο σε νετρόνια υλικό, ίσως είναι οι χώροι στους οποίους συντήκονται σε όλο και περισσότερο βαρέα στοιχεία, σημειώνει ο Kusenko.

Ωστόσο, η πιθανότητα της σύλληψης ενός άστρου νετρονίων σε μια μαύρη τρύπα είναι μάλλον χαμηλή, ανέφερε ο Kusenko, πράγμα που είναι συνεπές με τις παρατηρήσεις των λίγων μόνο γαλαξιών που είναι εμπλουτισμένοι με βαρέα στοιχεία. Η θεωρία ότι οι PBHs συγκρούονται με άστρα νετρονίων για να δημιουργήσουν βαρέα στοιχεία εξηγεί επίσης την παρατηρούμενη έλλειψη των άστρων νετρονίων στο κέντρο του Γαλαξία μας, ένα για πολλά χρόνια υφιστάμενο μυστήριο στην αστροφυσική.

Το ερχόμενο χειμώνα, ο Kusenko και οι συνεργάτες του θα συνεργαστούν με επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Princeton σε προσομοιώσεις παραγωγής βαρέων στοιχείων με αλληλεπίδραση ενός άστρου νετρονίων και μιας μαύρης τρύπας. Οι ερευνητές ελπίζουν, με σύγκριση των αποτελεσμάτων από αυτές τις προσομοιώσεις με τις παρατηρήσεις βαρέων στοιχείων σε κοντινούς γαλαξίες, να προσδιορίσουν εάν οι αρχέγονες μαύρες τρύπες είναι πράγματι υπεύθυνες για το χρυσό, την πλατίνα και το ουράνιο της Γης.

Πηγή: University of California, LA