Μαύρες τρύπες χωρίς άστρα: Το φαινόμενο που ίσως εξηγεί τη σκοτεινή ύλη

Πρωτογενείς μαύρες τρύπες (Primordial Black Holes – PBHs) αποτελούν έναν ιδιαίτερο τύπο μαύρης τρύπας, που εκτιμάται ότι σχηματίστηκε από υπέρπυκνες περιοχές υποατομικής ύλης μέσα σε ένα δευτερόλεπτο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Μια νέα επιστημονική μελέτη αναφέρει ότι ενδέχεται να έχουμε την πρώτη άμεση παρατήρηση ενός τέτοιου φαινομένου.

Αν και η επιβεβαίωση μπορεί να χρειαστεί χρόνια, η προοπτική θεωρείται εξαιρετικά συναρπαστική για την αστροφυσική κοινότητα.

Οι μαύρες τρύπες συνήθως προκύπτουν από την κατάρρευση ενός άστρου μετά από υπερκαινοφανή έκρηξη (supernova). Ωστόσο, οι επιστήμονες υποστηρίζουν εδώ και δεκαετίες ότι PBHs θα μπορούσαν να έχουν υπάρξει στα πρώτα στάδια του Σύμπαντος, χωρίς να απαιτείται η ύπαρξη άστρου. Μέχρι σήμερα παρέμεναν θεωρητικές, αλλά μια αυξανόμενη σειρά στοιχείων ενισχύει την υπόθεση της ύπαρξής τους.

Ενδείξεις από το παρατηρητήριο LIGO

Οι αστροφυσικοί Αλμπέρτο Μαγκάρατζια και Νίκο Καπελούτι από το Πανεπιστήμιο του Μαϊάμι εντόπισαν ένα πιθανό σήμα PBH μέσω του Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), το οποίο λειτουργεί σε δύο τοποθεσίες στις Ηνωμένες Πολιτείες, στην Ουάσιγκτον και στη Λουιζιάνα.

Οι βαρυτικοί κυματισμοί που ανιχνεύει το LIGO είναι διαταραχές του χωροχρόνου, οι οποίες προκαλούνται από τη σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών. Το σήμα που εντοπίστηκε και αναλύθηκε από τους ερευνητές υποδεικνύει μια σύγκρουση στην οποία ένα από τα αντικείμενα είχε μάζα μικρότερη από μία ηλιακή μάζα – ένδειξη για πιθανή πρωτογενή μαύρη τρύπα.

«Οι πιο συνηθισμένες μαύρες τρύπες σχηματίζονται από τον θάνατο ενός τεράστιου άστρου», δηλώνει ο Καπελούτι. «Έτσι, οι μάζες τους μπορεί να κυμαίνονται από μερικές φορές τη μάζα του Ήλιου έως και δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες».

Οι πρωτογενείς μαύρες τρύπες, αντίθετα, αναμένεται να έχουν πολύ μικρότερη μάζα. «Πιστεύουμε ότι η μελέτη μας θα συμβάλει στην επιβεβαίωση ότι οι PBHs πράγματι υπάρχουν», προσθέτει ο ίδιος.

Το σήμα S251112cm και οι προβλέψεις των επιστημόνων

Η περαιτέρω ανάλυση του σήματος, γνωστού ως S251112cm, είναι απαραίτητη για να επιβεβαιωθεί η φύση του. Οι ερευνητές, ωστόσο, θεωρούν ότι η ύπαρξη μιας PBH με υποηλιακή μάζα αποτελεί την πιο πιθανή εξήγηση.

Οι Μαγκάρατζια και Καπελούτι υπολόγισαν επίσης τη συχνότητα εμφάνισης τέτοιων αντικειμένων στο Διάστημα και εκτίμησαν πόσο συχνά το LIGO θα μπορούσε να τα εντοπίζει. Τα αποτελέσματά τους ευθυγραμμίζονται με τα δεδομένα από το 2015, όταν το LIGO άρχισε να καταγράφει βαρυτικά κύματα.

«Προσπαθήσαμε να εκτιμήσουμε πόσες πρωτογενείς μαύρες τρύπες μπορεί να υπάρχουν στο Σύμπαν και πόσες από αυτές θα μπορούσε να ανιχνεύσει το LIGO», εξηγεί ο Μαγκάρατζια. «Τα αποτελέσματα είναι ενθαρρυντικά, καθώς προβλέπουμε ότι παρόμοιες υποηλιακές μαύρες τρύπες είναι σπάνιες – κάτι που συνάδει με το πόσο σπάνια έχουν παρατηρηθεί μέχρι σήμερα».

Σύνδεση με τη σκοτεινή ύλη

Όπως και οι συνηθισμένες μαύρες τρύπες, οι PBHs δεν εκπέμπουν φως, γεγονός που καθιστά την παρατήρησή τους εξαιρετικά δύσκολη. Πιστεύεται ότι μπορεί να είναι πολύ μικρότερες, ακόμη και σε μέγεθος αστεροειδούς σε ορισμένες περιπτώσεις.

Η ανίχνευσή τους θα μπορούσε να ρίξει φως σε ένα ακόμη μεγαλύτερο μυστήριο του Σύμπαντος: τη σκοτεινή ύλη. Όπως και οι PBHs, η σκοτεινή ύλη θεωρείται υποθετική, αλλά εκτιμάται ότι αποτελεί έως και το 85% της συνολικής μάζας του Σύμπαντος, συγκρατώντας τα ουράνια σώματα μέσω της βαρύτητας.

Οι ειδικοί πιστεύουν ότι οι πρωτογενείς μαύρες τρύπες μπορεί να ευθύνονται για το μεγαλύτερο μέρος της σκοτεινής ύλης, έχοντας σχηματιστεί σε τεράστιους αριθμούς από το ξεκίνημα του χρόνου και επεκταθεί στο απέραντο διάστημα.

Το μέλλον της έρευνας

Για την οριστική επιβεβαίωση της ύπαρξης PBHs θα χρειαστούν περισσότερες παρατηρήσεις. Οι πιθανότητες ανίχνευσης αυξάνονται καθώς το LIGO αναβαθμίζεται και νέα όργανα τίθενται σε λειτουργία, όπως το ευρωπαϊκό διαστημικό έργο Interferometer Space Antenna (LISA), ένας ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων που αναμένεται να εκτοξευθεί το 2035.

«Το LIGO κατέγραψε ισχυρές ενδείξεις ότι αυτού του είδους οι μαύρες τρύπες υπάρχουν, αλλά θα χρειαστούμε περισσότερα παρόμοια σήματα για να έχουμε την αδιάσειστη απόδειξη», τονίζει ο Καπελούτι. «Αυτό που είναι σαφές, είναι ότι δεν μπορούμε να αποκλείσουμε την ύπαρξή τους».

Η έρευνα θα δημοσιευθεί στο επόμενο τεύχος του The Astrophysical Journal και είναι ήδη διαθέσιμη στο arXiv.