Σάββατο, 8 Απριλίου 2017

Η σκοτεινή πλευρά της μαύρης τρύπας

xmm_cosmos_galaxy_density
Μαύρες τρύπες με ένα δισεκατομμύριο ή και περισσότερο ακόμα φορές τη μάζα του ήλιου μας βρίσκονται στο κέντρο πολλών γαλαξιών, καθοδηγώντας την περιστροφή τους αλλά και την ανάπτυξή τους. Ενώ σήμερα η παρουσία τους είναι συνηθισμένη στα κέντρα των γαλαξιών, κάπου 14 δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, τέτοιες υπερβαρέες μαύρες τρύπες ήταν σπάνιες στις απαρχές του σύμπαντος – ή τουλάχιστον θα έπρεπε να είναι.

Η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να εξηγήσει τις γιγάντιες μαύρες τρύπες στις απαρχές του σύμπαντος

Κάποια αποδεικτικά στοιχεία για υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που υπήρχαν όταν το σύμπαν είχε ηλικία μικρότερη από ένα δισεκατομμύριο χρόνια, έχουν αφήσει άναυδους τους επιστήμονες, επειδή οι σημερινές θεωρίες της αστρικής εξέλιξης εξηγούν ότι οι τέτοια γιγάντια σώματα θέλουν πολύ περισσότερο χρόνο για να αναπτυχθούν. Τώρα φαίνεται ότι αυτό το αίνιγμα θα μπορούσε να λυθεί μέσω μιας μυστηριώδους ουσίας –της σκοτεινής ύλης.

Το αίνιγμα των πρώτων γιγάντιων μαύρων οπών πήρε μορφή το 2003, όταν η Έρευνα του Ουρανού Sloan εντόπισε περίπου μισή ντουζίνα από αυτές. Σύμφωνα με την συμβατική άποψη, τα πρώτα κανονικά άστρα γεννήθηκαν όταν το σύμπαν ήταν περίπου 200 εκατομμυρίων ετών, αλλά δεδομένης της κατάστασης του σύμπαντος εκείνη την εποχή, θα μπορούσαν να σχηματίζονται μαύρες τρύπες με το πολύ, περίπου, 100 φορές τη μάζα του ήλιου. Θα ήθελαν πολύ χρόνο για να συγχωνευθούν και να κάνουν το ηλικίας ενός δισεκατομμυρίου ετών, το τέρας μαύρη τρύπα με δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του ήλιου όπως έδειξε η έρευνα Sloan.

Η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να λύσει το αίνιγμα, πιστεύει η θεωρητικός φυσικός Katherine Freese του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν και οι συνάδελφοί της. Ενώ είναι αθέατη αποδεικνύει την ύπαρξή της μέσω της βαρύτητας, και αντιπροσωπεύει τουλάχιστον το 80 τοις εκατό της ύλης του σύμπαντος (και περίπου το ένα τέταρτο της υλοενέργειας του σύμπαντος). Αλλά οι επιστήμονες δεν είναι σίγουροι από τι ακριβώς αποτελείται η σκοτεινή ύλη. Μεταξύ των πρώτων υποψηφίων είναι τα σωματίδια με μάζα που αλληλεπιδρούν ασθενώς, δηλαδή τα νετραλίνα. Μπορούν να εξαϋλώνονται μεταξύ τους όταν συναντιούνται και να παράγουν θερμότητα, ακτίνες γάμμα, νετρίνα, αντιύλη και σωματίδια, όπως ποζιτρόνια και αντιπρωτόνια.

Η Freese και οι συνεργάτες της υπολογίζουν ότι, όταν το σύμπαν ήταν μόλις 80 έως 100 εκατομμυρίων ετών καθώς τα πρωτοαστρικά νέφη του αερίου ψύχονταν και συρρικνώνονταν, η βαρύτητα τους θα είχε αναγκάσει τα νετραλίνα που εξαϋλώνονται μεταξύ τους, να απελευθερώσουν ενέργεια στην καρδιά του νέφους, δημιουργώντας έτσι τα πρώτα αστέρια. Οι ερευνητές ονόμασαν αυτά τα αντικείμενα «σκοτεινά αστέρια”, επειδή τροφοδοτήθηκαν από την σκοτεινή ύλη και όχι από την πυρηνική ενέργεια, όπως στα κανονικά αστέρια.

Οι πρώτες διαπιστώσεις τους άφησαν να εννοηθεί ότι τα σκοτεινά αστέρια θα είχαν σμικρύνει τα κανονικά αστέρια. Επειδή τα σκοτεινά αστέρια δεν χρειάζονται την υψηλή πυκνότητα που βλέπουμε στα συνηθισμένα αστέρια, τα οποία εξαρτώνται από τους πυρήνες που πρέπει να είναι πολύ κοντά προκειμένου να συντηχθούν μαζί, θα είναι πολύ πιο αφράτα, με τα μεγαλύτερα από αυτά να φθάνουν μέχρι και περίπου 200.000 φορές το πλάτος του ήλιου. Οι επιστήμονες έχουν επίσης εκτιμήσει ότι οι χαμηλότερες θερμοκρασίες της επιφάνειας στα σκοτεινά αστέρια θα επέτρεπε σε αυτά να μεγαλώσουν έως και 1.000 φορές τη μάζα του ήλιου, σε σύγκριση με το, περίπου, όριο των 150 ηλιακών μαζών που έχουν τα σημερινά αστέρια.

Η Freese και οι συνεργάτες της υποστηρίζουν ότι τα σκοτεινά αστέρια θα μπορούσαν να φτάσουν ακόμα και τις 100.000 ηλιακές μάζες προτού κάψουν τα καύσιμά τους και καταρρεύσουν. Η ομάδα ανέλυσε με πόση συχνότητα τα νετραλίνα θα συνέρρεαν πάνω στα σκοτεινά αστέρια για να συλληφθούν από τα άτομα, και καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης θα μπορούσαν να πυροδοτήσουν την ανάπτυξη των σκοτεινών άστρων για πολύ περισσότερο καιρό από ό,τι νομίζαμε παλιά.

Μόλις τα υπερβαρέα σκοτεινά άστρα έμειναν από σκοτεινή ύλη, θα είχε τότε περιοριστεί το μέγεθος τους, προκαλώντας πυρηνική σύντηξη στον πυρήνα τους, και τη συνέχιση της ζωής τους σαν τα κανονικά αστέρια για περίπου ένα εκατομμύριο χρόνια. Αυτά τα αστέρια δεν θα γίνουν σουπερνόβα – είναι πάρα πολύ μεγάλο, υποστηρίζει η Freese – αντίθετα θα καταρρεύσουν σε μαύρες τρύπες με ην ίδια μάζα. Πολλές από αυτές θα μπορούσαν να έχουν στη συνέχεια συγχωνευτεί σχηματίζοντας γιγάντιες σε ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά από το Big Bang.

Τα υπερβαρέα σκοτεινά αστέρια θα ήταν μέχρι και ένα δισεκατομμύριο φορές πιο λαμπερά από ό,τι ο ήλιος μας, και θα είναι ακόμη σε θέση να λάμψουν στη θερμοκρασία του ήλιου μας με ένα κίτρινο φως. Ελπίζει λοιπόν η Freese με το νέο τηλεσκόπιο James Webb, που έχει προγραμματιστεί για να πετάξει το 2014, να δούμε αρκετά μακριά για να ανιχνεύσει τέτοια αφράτα γίγαντες αστέρια. Όμως κανένα σκοτεινό αστέρι δεν είναι πιθανόν να σχηματίζεται σήμερα, επειδή η πυκνότητα της σκοτεινής ύλης τώρα είναι κατά μέσον όρο το 1/8.000 των παρελθόντων σκοτεινών άστρων, όταν το σύμπαν ήταν πολύ πιο συμπαγές.

Βεβαίως δεν έχουν πειστεί όλοι πως τα σκοτεινά αστέρια είναι πραγματικά. Ο αστροφυσικός Brian O’Shea στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν υποστηρίζει ότι η ιδέα εξαρτάται από πάρα πολλές υποθέσεις σχετικά με τις ιδιότητες της σκοτεινής ύλης, για παράδειγμα, αν η σκοτεινή ύλη είναι φτιαγμένη από αξιόνια, τότε αυτά δεν εξαϋλώνονται και έτσι δεν σχηματίζονται τα σκοτεινά άστρα.

Ακόμα ο αστροφυσικός Paul Shapiro του Πανεπιστημίου του Τέξας νομίζει ότι τα σκοτεινά άστρα είναι λογικές συνέπειες ενός λογικού μοντέλου για την σκοτεινή ύλη. Και αν οι επιστήμονες βρουν τα σκοτεινά άστρα, θα έχουν καταλάβει όχι μόνο τις μαύρες τρύπες αλλά και θα δούμε τι μπορεί να είναι η σκοτεινή ύλη. “Αν τα σκοτεινά άστρα υπάρχουν τότε αυτά θα είναι απίστευτα ψυχρά”, σημειώνει.