Μία μαύρη τρύπα γέννησε το σύμπαν μας;

Όταν σχηματίζεται μια μαύρη τρύπα, υπάρχει μια απίστευτη αλλά θεαματική ιδέα ότι γεννά ένα νέο, μωρό Σύμπαν. Εάν συμβαίνει αυτό, μπορεί να ρίξει ένα νέο φως στις δικές μας κοσμικές ρίζες, με συναρπαστικές συνέπειες για το τι μπορεί να συμβεί μέσα στις μαύρες τρύπες που το Σύμπαν μας έχει στη συνέχεια σχηματίσει.

Η γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν αντικατέστησε τη βαρύτητα του Νεύτωνα, δείχνοντάς μας τη σχέση μεταξύ ύλης και ενέργειας και του ιστού του χωροχρόνου. Σύμφωνα με τις εξισώσεις του, το Σύμπαν δεν θα μπορούσε να είναι στατικό, αλλά πρέπει να αλλάζει με την πάροδο του χρόνου: ένα γεγονός που επιβεβαιώνεται με την ανακάλυψη του διαστελλόμενου Σύμπαντος. Η θεωρία του προέβλεψε επίσης την ύπαρξη μαύρων οπών, οι οποίες αργότερα ανακαλύφθηκαν, ανιχνεύθηκαν, ακόμη και απεικονίστηκαν πριν ένα χρόνο άμεσα.

Τόσο εντός όσο και εκτός του ορίζοντα γεγονότων (event horizon) μιας μαύρης τρύπας Schwarzschild (χωρίς φορτίο και ιδιοπεριστροφή), ο χώρος ρέει είτε ως κινούμενος διάδρομος είτε ως καταρράκτης, ανάλογα με το πώς θέλετε να τον απεικονίσετε. Στον ορίζοντα γεγονότων, ακόμη και αν τρέξετε με την ταχύτητα του φωτός, δεν θα υπήρχε υπέρβαση της ροής του χωροχρόνου, που σας μεταφέρει εντός της μοναδικότητας ή ιδιομορφίας στο κέντρο. Έξω από τον ορίζοντα, ωστόσο, άλλες δυνάμεις (όπως ο ηλεκτρομαγνητισμός) μπορούν συχνά να ξεπεράσουν την έλξη της βαρύτητας, προκαλώντας τη διαφυγή ακόμη και της εισερχόμενης ύλης

Το καθοριστικό χαρακτηριστικό μιας μαύρης τρύπας είναι η ύπαρξη ενός ορίζοντα γεγονότων: ένα όριο που λέει μια πολύ διαφορετική ιστορία για ένα αντικείμενο έξω από αυτό έναντι του εσωτερικού του. Εκτός του ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας, οποιοδήποτε αντικείμενο θα βιώσει τα βαρυτικά του αποτελέσματα, καθώς ο χώρος θα κυρτωθεί από την παρουσία της μαύρης τρύπας, αλλά μπορεί ακόμα να ξεφύγει. Εάν κινείται αρκετά γρήγορα ή επιταχύνεται αρκετά γρήγορα στη σωστή κατεύθυνση, δεν θα πέσει απαραίτητα στη μαύρη τρύπα, αλλά θα μπορούσε να απελευθερωθεί από τη βαρυτική της επιρροή.

Μόλις ένα αντικείμενο διασχίσει στην άλλη πλευρά του ορίζοντα, ωστόσο, είναι καταδικασμένο να υπαχθεί στην κεντρικήιδιομορφία της μαύρης τρύπας. Λόγω του πόσο σοβαρά είναι ο ιστός του χωροχρόνου καμπυλωμένος μέσα σε μια μαύρη τρύπα, ένα αντικείμενοπου θα εισέλθει θα φτάσει στην μοναδικότητα μέσα σε δευτερόλεπτα από το πέρασμα του ορίζοντα γεγονότων, αυξάνοντας τη μάζα της μαύρης τρύπας σε αυτή τη διαδικασία. Σε κάποιον που βρίσκεται έξω από τον ορίζοντα, η μαύρη τρύπα φαίνεται να αλλάζει, να κερδίζει μάζα και να μεγαλώνει με την πάροδο του χρόνου.



Μία από τις πιο σημαντικές συνεισφορές του Roger Penrose στη φυσική των μαύρων οπών είναι ότι έδειξε πώς ένα πραγματικό αντικείμενο στο Σύμπαν μας, όπως ένα αστέρι (ή οποιαδήποτε συλλογή ύλης), μπορεί να σχηματίσει έναν ορίζοντα γεγονότων και πώς όλη η ύλη που συνδέεται με αυτό θα συναντήσει αναπόφευκτα την κεντρική (singularity) μοναδικότητα.

Τι σχέση έχει όμως με το Σύμπαν μας; Εάν θέλετε να λάβετε όλες τις γνωστές, μετρήσιμες μορφές ύλης και ακτινοβολίας στο παρατηρήσιμο Σύμπαν, θα πρέπει να προσθέσετε όλα τα ακόλουθα:

• κανονική ύλη ή βαρυονική, κατασκευασμένη από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια,
• νετρίνα, ένα σωματίδιο φάντασμα που σπάνια αλληλεπιδρά με την κανονική ύλη,
• σκοτεινή ύλη, η οποία κυριαρχεί στη μάζα του Σύμπαντος, αλλά έχει μέχρι τώρα αποφύγει να ανιχνευτεί άμεσα,
• φωτόνια, ή σωματίδια φωτός, που μεταφέρουν ενέργεια από κάθε ηλεκτρομαγνητικό συμβάν καθ ‘όλη την κοσμική ιστορία,
• και βαρυτικά κύματα, τα οποία δημιουργούνται κάθε φορά που μια μάζα κινείται και επιταχύνεται μέσω του κυρτού ιστού του χωροχρόνου.

Στα πιο απομακρυσμένα όρια που μπορούν να ανιχνεύσουν τα όργανα μας, μπορούμε να δούμε περίπου 46 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά σε όλες τις κατευθύνσεις. Εάν προσθέσετε όλη την ενέργεια από όλες αυτές τις μορφές σε ολόκληρο το παρατηρήσιμο Σύμπαν, μπορείτε να φτάσετε σε μια ισοδύναμη «μάζα» για το Σύμπαν χρησιμοποιώντας την πιο διάσημη σχέση του Αϊνστάιν: E = mc² .

Σε κοντινή απόσταση, τα αστέρια και οι γαλαξίες που βλέπουμε μοιάζουν πολύ με τα δικά μας. Αλλά καθώς κοιτάμε πιο μακριά, βλέπουμε το Σύμπαν όπως ήταν στο μακρινό παρελθόν: λιγότερο δομημένο, πιο ζεστό, νεότερο και λιγότερο εξελιγμένο. Η μέτρηση του Σύμπαντος σε διαφορετικές εποχές μας βοηθά να κατανοήσουμε όλες τις διαφορετικές μορφές ύλης και ενέργειας που υπάρχουν μέσα σε αυτό, συμπεριλαμβανομένων της φυσιολογικής ύλης, της σκοτεινής ύλης, των νετρίνων, των φωτονίων, των μαύρων οπών και των βαρυτικών κυμάτων.

Τότε, αν θέλετε, μπορείτε να κάνετε μια μάλλον βαθιά ερώτηση: εάν ολόκληρο το Σύμπαν συμπιεστεί σε ένα σημείο, τι θα συνέβαινε; Η απάντηση είναι η ίδια με την περίπτωση που συμπιέσατε οποιαδήποτε μεγάλη ποσότητα μάζας ή ενέργειας σε ένα σημείο: θα σχηματιστεί μια μαύρη τρύπα. Αυτό που είναι αξιοσημείωτο για τη θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν είναι ότι εάν αυτή η συλλογή μάζας και / ή ενέργειας δεν είναι φορτισμένη (ηλεκτρικά) και δεν περιστρέφεται ή ιδιοπεριστρέφεται (δηλαδή, χωρίς γωνιακή ορμή), η συνολική ποσότητα μάζας είναι ο μόνος παράγοντας που καθορίζει πόσο μεγάλη είναι η μαύρη τρύπα: αυτό που οι αστροφυσικοί αποκαλούν την ακτίνα Schwarzschild.

Είναι αξιοσημείωτο ότι η ακτίνα Schwarzschild μιας μαύρης τρύπας με τη μάζα όλης της ύλης στο παρατηρήσιμο Σύμπαν, είναι σχεδόν ακριβώς ίση με το παρατηρούμενο μέγεθος του ορατού Σύμπαντος! Αυτή η συνειδητοποίηση, από μόνη της, μοιάζει με μια αξιοσημείωτη σύμπτωση, εγείροντας το ερώτημα αν το Σύμπαν μας μπορεί στην πραγματικότητα να είναι ωσάν να κρύβεται στο εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας. Αλλά αυτή είναι μόνο η αρχή της ιστορίας. καθώς όπως πάμε βαθύτερα, τα πράγματα γίνονται ακόμη πιο ενδιαφέροντα.



Όταν σχηματίζεται μια μαύρη τρύπα, η μάζα και η ενέργεια καταρρέουν σε μια μοναδικότητα. Ομοίως, η συνέχιση της παρέκτασης του επεκτεινόμενου Σύμπαντος προς τα πίσω οδηγεί σε μια μοναδικότητα όταν οι θερμοκρασίες, οι πυκνότητες και οι ενέργειες είναι αρκετά υψηλές. Θα μπορούσαν να συνδεθούν αυτά τα δύο φαινόμενα;

Στα μέσα της δεκαετίας του 1960, έγινε μια ανακάλυψη που έφερε επανάσταση στην ιδέα μας για το Σύμπαν: ένα ομοιόμορφο, πανκατευθυντικό λουτρό χαμηλής ενέργειας (μικροκυματικής) ακτινοβολίας εμφανίστηκε να έρχεται από όλες τις τοποθεσίες στον ουρανό. Αυτή η ακτινοβολία είχε την ίδια θερμοκρασία προς όλες τις κατευθύνσεις, που τώρα βρέθηκε να είναι 2,725 K, μόλις μερικούς βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν. Η ακτινοβολία είχε ένα σχεδόν τέλεια φάσμα μέλανος σώματος, σαν να είχε μία θερμή προέλευση και φάνηκε όμοια με 1-μέρος-προς-30.000 ανεξάρτητα από το πού κοιτάξατε στον ουρανό.

Αυτή η ακτινοβολία – αρχικά ονομάστηκε αρχέγονη πύρινη βολίδα και τώρα είναι γνωστή ως κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων CMB – έκρυβε κρίσιμες αποδείξεις ότι το Σύμπαν μας επεκτείνεται και ψύχεται, επειδή ήταν πιο ζεστό και πιο πυκνό στο παρελθόν. Όσο πιο μακριά πίσω πάμε, τόσο μικρότερα, πιο ομοιόμορφα και πιο συμπαγή ήταν τα πράγματα. Πηγαίνοντας πίσω, αυτή η εικόνα του καυτού Big Bang φαίνεται να πλησιάζει σε μια μοναδικότητα, την ίδια κατάσταση που βρίσκεται στα κεντρικά εσωτερικά των μαύρων οπών: μια τοποθεσία όπου οι πυκνότητες, οι θερμοκρασίες και οι ενέργειες είναι τόσο ακραίες που καταρρέουν οι ίδιοι οι νόμοι της φυσικής .



Όταν η ύλη καταρρεύσει, αναπόφευκτα μπορεί να σχηματίσει μια μαύρη τρύπα. Ο Penrose ήταν ο πρώτος που επεξεργάστηκε τη φυσική του χωροχρόνου, που ισχύει για όλους τους παρατηρητές σε όλα τα σημεία του διαστήματος και σε όλες τις στιγμές του χρόνου, που διέπουν ένα σύστημα όπως αυτό. Η σύλληψή του είναι το χρυσό πρότυπο στη Γενική Σχετικότητα από τότε

Όταν κοιτάζετε τις εξισώσεις που διέπουν μια μαύρη τρύπα, υπάρχει κάτι αξιοσημείωτο που συμβαίνει επίσης. Εάν ξεκινήσετε λίγο έξω από τον ορίζοντα γεγονότων και ξεφύγετε σε μια άπειρη απόσταση μακριά από τη μαύρη τρύπα, θα διαπιστώσετε ότι η απόσταση σας ( r ) πηγαίνει από το R, την ακτίνα Schwarzschild, στο άπειρο: ∞. Από την άλλη πλευρά, εάν ξεκινήσετε ακριβώς μέσα από τον ορίζοντα γεγονότων και παρακολουθείτε την απόσταση σας από τη κεντρική μοναδικότητα, θα βρείτε ότι η ίδια απόσταση ( r ) αντίθετα πηγαίνει από το R, την ακτίνα Schwarzschild, στο μηδέν: 0.

Μεγάλη ομοιότητα, σωστά;

Όχι, στην πραγματικότητα είναι μια μεγάλη υπόθεση, για τον ακόλουθο λόγο: εάν εξετάσετε όλες τις ιδιότητες του χώρου έξω από τον ορίζοντα της μαύρης τρύπας, από το R έως το ∞ και τις συγκρίνετε με όλες τις ιδιότητες του χώρου μέσα στον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας , από R έως 0, είναι πανομοιότυπες σε κάθε σημείο. Το μόνο που έχετε να κάνετε είναι να αντικαταστήσετε την απόσταση, r , με την 1 / r (ή, ακριβέστερα, να αντικαταστήσετε όλες τις εμφανίσεις του r / R με R / r ) και θα διαπιστώσετε ότι το εσωτερικό της μαύρης τρύπας είναι μαθηματικά πανομοιότυπο με το εξωτερικό της μαύρης τρύπας. Είναι ενδιαφέρον ότι η μαθηματική δομή του εσωτερικού μιας μαύρης τρύπας είναι ισοδύναμη με τη μαθηματική δομή του χώρου έξω από τον ορίζοντα γεγονότων.

Καθώς η κατανόησή μας για το Σύμπαν έχει βελτιωθεί και βελτιωθεί τις τελευταίες δεκαετίες, δύο νέες ανακαλύψεις έπληξαν τα θεμέλια της κοσμολογίας. Ο πρώτος ήταν ο κοσμικός πληθωρισμός: αντί να προκύπτει το σύμπαν από μια ιδιομορφία (μοναδικότητα), τώρα φαίνεται ότι το Σύμπαν δημιουργήθηκε από μια γρήγορη, αδυσώπητη κατάσταση σταθερής, εκθετικής διαστολής (πληθωρισμός) που προηγήθηκε του καυτού Big Bang. Είναι σαν να υπήρχε κάποιο είδος πεδίου που παρείχε μια ενέργεια εγγενή στον ίδιο το χώρο, κάνοντας το Σύμπαν να διογκωθεί τρομερά και μόνο όταν τελείωσε ο πληθωρισμός ξεκίνησε το καυτό Big Bang.

Το δεύτερο ήταν η σκοτεινή ενέργεια: καθώς το Σύμπαν επεκτείνεται και γίνεται λιγότερο πυκνό, οι απόμακροι γαλαξίες αρχίζουν να υποχωρούν από εμάς με επιταχυνόμενο ρυθμό. Για άλλη μια φορά – αν και με πολύ μικρότερο μέγεθος – το Σύμπαν συμπεριφέρεται σαν να υπάρχει κάποιο είδος ενέργειας που είναι εγγενές στον ίδιο το χώρο, αρνούμενο να αραιωθεί ακόμη και όταν συνεχίζεται η επέκταση του χώρου. Για όσο διάστημα ο πληθωρισμός και η σκοτεινή ενέργεια υπήρχαν, οι άνθρωποι εικάζουν ότι μπορεί να υπάρχει μία σύνδεση μεταξύ τους.

Κατά τα πρώτα στάδια του Σύμπαντος, δημιουργήθηκε μια πληθωριστική περίοδος και προκάλεσε το γνωστό καυτό Big Bang. Σήμερα, δισεκατομμύρια χρόνια αργότερα, η σκοτεινή ενέργεια προκαλεί την επιτάχυνση της διαστολής του Σύμπαντος. Αυτά τα δύο φαινόμενα έχουν πολλά κοινά πράγματα, και μπορεί ακόμη και να συνδεθούν, πιθανώς να σχετίζονται με τη δυναμική των μαύρων οπών

Τι θα μπορούσε να είναι αυτή η σύνδεση;

Για άλλη μια φορά, οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να είναι η απάντηση. Οι μαύρες τρύπες κερδίζουν μάζα καθώς το υλικό πέφτει μέσα τους και αποσυντίθεται, χάνοντας μάζα, μέσω της ακτινοβολίας Hawking. Καθώς αλλάζει το μέγεθος του ορίζοντα γεγονότων, είναι πιθανό αυτό να αλλάξει την «ενέργεια» που είναι εγγενής στον ιστό του χώρου σε έναν παρατηρητή που βρίσκεται μέσα στον ορίζοντα γεγονότων; Είναι πιθανό ότι αυτό που αντιλαμβανόμαστε ως κοσμικός πληθωρισμός να σηματοδοτεί τη δημιουργία του Σύμπαντός μας από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα; Είναι πιθανό η σκοτεινή ενέργεια να συνδέεται κάπως και με τις μαύρες τρύπες;

Και αυτό σημαίνει ότι, καθώς έχουν σχηματιστεί αστροφυσικές μαύρες τρύπες στο Σύμπαν μας, ότι η κάθε μία να δημιουργεί το δικό του «βρεφικό Σύμπαν» κάπου μέσα του; Αυτές οι εικασίες υπάρχουν εδώ και πολλές δεκαετίες, αλλά χωρίς οριστικό ή αποδεικτικό συμπέρασμα. Παρ ‘όλα αυτά, πολλά μοντέλα και ιδέες αφθονούν, και αυτή η σκέψη συνεχίζει να είναι συναρπαστική σε πολλούς που ερευνούν τις μαύρες τρύπες, τη θερμοδυναμική και την εντροπία, τη Γενική Σχετικότητα και την αρχή και το τέλος του Σύμπαντος.

Για περίπου 10 χρόνια, ο Roger Penrose διακηρύσσει εξαιρετικά αμφίβολους ισχυρισμούς ότι το Σύμπαν εμφανίζει στοιχεία για μια ποικιλία χαρακτηριστικών που συνάδουν με την άποψη ότι το Σύμπαν μας να συγκρούεται και να «συντρίβεται» όπως συνέβη πριν από το Big Bang. Αυτά τα χαρακτηριστικά δεν είναι ισχυρά και δεν επαρκούν για την υποστήριξη των ισχυρισμών του Penrose.

Δυστυχώς, κάθε φυσικό μοντέλο που παρουσιάστηκε – τουλάχιστον μέχρι τώρα – δεν κατάφερε να κάνει μοναδικές προβλέψεις που μπορούν να κάνουν τα ακόλουθα τρία πράγματα.

• Να αναπαράγει όλες τις επιτυχίες, όπως τα φαινόμενα που έχουν ήδη παρατηρηθεί, και που έχουμε ήδη επιτυχώς αντιληφθεί με επιτυχία, το πληθωριστικό Big Bang.
• Να εξηγήσει ή / και να λάβει υπόψη τα παρατηρούμενα φαινόμενα που η επικρατούσα θεωρία δεν μπορεί.
• Να κάνει νέες προβλέψεις που να διαφέρουν από αυτές που προβλέπονται από το τρέχον κορυφαίο μοντέλο, τις οποίες μπορούμε στη συνέχεια να βγούμε και να δοκιμάσουμε.

Ίσως η πιο διάσημη απόπειρα σε αυτό είναι η Σύμφωνη Κυκλική Κοσμολογία (CCC) του Roger Penrose, η οποία κάνει μια μοναδική πρόβλεψη που διαφέρει από το τυπικό κοσμολογικό μοντέλο: την ύπαρξη σημείων Hawking ή κύκλους ασυνήθιστα χαμηλής διακύμανσης θερμοκρασίας στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων. Δυστυχώς, αυτά τα χαρακτηριστικά που λέει ο Penrose δεν εμφανίζονται ισχυρά στα δεδομένα, υποβιβάζοντας έτσι την ιδέα ότι το Σύμπαν μας γεννήθηκε από μια μαύρη τρύπα – και η ιδέα ότι οι μαύρες τρύπες δημιουργούν μωρά Σύμπαντα – μία ιδέα καθαρά σκεπτικιστική.

Υπάρχουν πολλά πράγματα για να αρέσει η ιδέα ότι υπάρχει μια σύνδεση μεταξύ των μαύρων οπών και της γέννησης του Σύμπαντος, τόσο από φυσική όσο και από μαθηματική άποψη. Είναι πιθανό ότι υπάρχει σύνδεση μεταξύ της γέννησης του Σύμπαντος μας και της δημιουργίας μιας εξαιρετικά τεράστιας μαύρης τρύπας από ένα Σύμπαν που υπήρχε πριν από το δικό μας. είναι πιθανό ότι κάθε μαύρη τρύπα που έχει δημιουργηθεί στο Σύμπαν μας έχει δημιουργήσει ένα νέο Σύμπαν μέσα σε αυτό.

Αυτό που λείπει, δυστυχώς, είναι το βασικό βήμα μιας μοναδικά αναγνωρίσιμης αποδεικτικής υπογραφής που θα μπορούσε να μας πει εάν συμβαίνει αυτό ή όχι. Αυτό είναι ένα από τα πιο δύσκολα βήματα για οποιονδήποτε θεωρητικό φυσικό: να προσδιορίσουμε το αποτύπωμα μιας νέας ιδέας στο παρατηρήσιμο Σύμπαν μας, διακρίνοντας αυτήν τη νέα ιδέα από την παλιά επικρατούσα ιδέα. Μέχρι να κάνουμε με επιτυχία αυτό το βήμα, πιθανότατα θα συνεχιστούν οι εργασίες για αυτές τις ιδέες, αλλά θα παραμείνουν μόνο σκεπτικιστικές υποθέσεις. Δεν ξέρουμε αν το Σύμπαν μας γεννήθηκε με τη δημιουργία μιας μαύρης τρύπας, αλλά σε αυτό το σημείο, είναι μια δελεαστική πιθανότητα να είμαστε ανόητοι να το αποκλείσουμε.