Αν και μέχρι σήμερα κάθε προσπάθεια προσδιορισμού της φύσης της έχει αποδειχθεί άκαρπη, οι περισσότεροι επιστήμονες συμφωνούν ότι η σκοτεινή ύλη όντως υπάρχει. Θα μπορούσε, άραγε, να αποτελείται από αρχέγονες μαύρες τρύπες που σχηματίστηκαν κλάσματα του δευτερολέπτου μετά την Μεγάλη Έκρηξη;

Σύμφωνα με όλα τα δεδομένα, η ύλη στο Σύμπαν κυριαρχείται από μια άγνωστης μορφής σκοτεινή ύλη, η οποία δεν αλληλεπιδρά με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και κατά συνέπεια δεν μπορεί να ανιχνευθεί με την βοήθεια τηλεσκοπίων. Παρόλο που η φύση της παραμένει αδιευκρίνιστη, οι έμμεσες αποδείξεις που έχουμε συγκεντρώσει για την ύπαρξή της είναι τόσες πολλές και πειστικές, και προέρχονται από τόσες διαφορετικές κατευθύνσεις, που η μεγάλη πλειονότητα των επιστημόνων θεωρεί ότι η σκοτεινή ύλη όντως υπάρχει.

Μία από τις επικρατέστερες θεωρίες είναι ότι αποτελείται από ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια (WIMPs) που, με εξαίρεση την βαρύτητα, ελάχιστα αλληλεπιδρούν με την «κανονική» ύλη. Σύμφωνα με μια άλλη δημοφιλή θεωρία, η σκοτεινή ύλη αποτελείται από ακόμη ελαφρύτερα, αλλά εξίσου υποθετικά, σωματίδια που ονομάζονται αξιόνια. Τα τελευταία χρόνια, όμως, αρκετοί επιστήμονες έχουν αρχίσει να διερευνούν εκ νέου μια αρκετά παλαιότερη ιδέα: ότι δηλαδή η σκοτεινή ύλη αποτελείται από αρχέγονες μαύρες τρύπες (ΑΜΤ) που σχηματίστηκαν σχεδόν αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη.

Η ιστορία των ΑΜΤ ξεκινά στην Ρωσία την δεκαετία του 1960, όταν οι σπουδαίοι θεωρητικοί φυσικοί Yakov Zeldovich και Igor Novikov εξέτασαν για πρώτη φορά την πιθανότητα σχηματισμού υπέρπυκνων αντικειμένων στο «βρεφικό» Σύμπαν. Λίγο αργότερα, οι ΑΜΤ διερευνήθηκαν σε ακόμη μεγαλύτερο βάθος από τον Bernard Carr, όταν ο ίδιος και ο αείμνηστος Stephen Hawking, σύμβουλος της διατριβής του, έκαναν τους πρώτους λεπτομερείς υπολογισμούς για το πώς το βρεφικό Σύμπαν θα μπορούσε να έχει δημιουργήσει αρχέγονες μαύρες τρύπες.

Ένας από τους λόγους για τους οποίους αναθερμάνθηκε τα τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον για τις ΑΜΤ είναι ότι μέχρι στιγμής όλες οι προσπάθειες για την εύρεση WIMPs, αξιονίων ή άλλων υποθετικών σωματιδίων σκοτεινής ύλης παραμένουν άκαρπες. Επιπλέον, από το 2016 μέχρι σήμερα, τα αποτελέσματα από την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων, τα οποία εκλύονται κατά την σύγκρουση μαύρων τρυπών, φαίνεται εκ πρώτης να δίνουν επιπλέον ερείσματα για την ύπαρξη των ΑΜΤ. Σύμφωνα, τέλος, με πολλούς αστρονόμους, ένα τρίτο στοιχείο που καθιστά ελκυστική την περαιτέρω μελέτη τους είναι το γεγονός ότι μέσα στις επόμενες δύο δεκαετίες η ύπαρξή τους θα μπορεί να επιβεβαιωθεί ή να αποκλειστεί με την συλλογή επιπλέον παρατηρησιακών δεδομένων, τόσο από τους ήδη υπάρχοντες επίγειους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων (LIGO, VIRGO KAGRA), όσο και από μελλοντικούς ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων στο Διάστημα, όπως ο LISA.

Σε αυτό το σημείο αξίζει να υπενθυμίσουμε ότι, ανάλογα με την μάζα τους, μπορούμε να ταξινομήσουμε τις μαύρες τρύπες σε δύο μεγάλες «οικογένειες». Στο κατώτατο άκρο της κλίμακας μαζών, οι αστρικές μαύρες τρύπες δεν υπερβαίνουν συνήθως τις 50 ηλιακές μάζες και αποτελούν το τελικό στάδιο της εξέλιξης των γιγάντιων άστρων, ο πυρήνας των οποίων υφίσταται μια καταστροφική και σχεδόν ακαριαία ενδόρρηξη, προτού οι εξωτερικές τους στοιβάδες εκτιναχθούν στο Διάστημα σε αδιανόητα βίαιες εκρήξεις σουπερνόβα. Οι γαλαξιακές μαύρες τρύπες, από την άλλη, θεωρείται ότι υπάρχουν στους πυρήνες των περισσότερων (αν όχι όλων) των γαλαξιών του Σύμπαντος και έχουν μάζα εκατομμύρια, ακόμη και δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ήλιου. Ενώ, όμως, η προέλευση των πρώτων κατανοήθηκε σε βάθος, μέσα από την διεύρυνση των γνώσεών μας για την αστρική εξέλιξη, η προέλευση των δεύτερων παραμένει αβέβαιη.

Ένα, μάλιστα, δισεπίλυτο πρόβλημα που σχετίζεται μ’ αυτές αφορά στο γεγονός ότι τα τελευταία 10-15 χρόνια ανακαλύφθηκαν κολοσσιαίες μαύρες τρύπες, με μάζα ακόμη και δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ήλιου, οι οποίες είχαν ήδη διογκωθεί σε αυτό το τεράστιο μέγεθος μόλις 700-800 εκατ. χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Το πώς οι γαλαξιακοί αυτοί Λεβιάθαν «κατόρθωσαν» να αποκτήσουν την τεράστια μάζα που τους αντιστοιχεί τόσο νωρίς στην ιστορία της κοσμολογικής εξέλιξης παραμένει μυστήριο.

Σύμφωνα, λοιπόν, με μια ιδέα που άρχισε να κερδίζει έδαφος τα τελευταία χρόνια, οι γαλαξιακές μαύρες τρύπες προέρχονται από έναν πληθυσμό μικρότερων μαύρων τρυπών, οι οποίες δεν είχαν, έως πρόσφατα τουλάχιστον, παρατηρηθεί. Αυτές οι ενδιάμεσες μαύρες τρύπες εικάζεται ότι «περικλείουν» τη μάζα 100-100.000 άστρων σαν τον Ήλιο και παρόλο που τα τελευταία χρόνια ανακαλύφθηκαν αρκετές πιθανές υποψήφιες, δεν υπάρχει έως τώρα οριστική επιβεβαίωση της ύπαρξής τους. Θα μπορούσαν κάποιες τουλάχιστον απ’ αυτές να έχουν αρχέγονη προέλευση;

Μια ιδιαίτερα σημαντική εξέλιξη προς αυτή την κατεύθυνση ήρθε τον Φεβρουάριο του 2016, όταν ο ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων LIGO στις ΗΠΑ ανακοίνωσε την πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων προερχόμενων από την σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών. Μέχρι στιγμής, μάλιστα, ο LIGO σε συνεργασία με τον ιταλικό VIRGO έχουν ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα προερχόμενα και από μαύρες τρύπες με μάζα δεκάδες φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ήλιου.

Σχετικά πρόσφατα, για παράδειγμα, οι δίδυμοι ανιχνευτές του LIGO ανακάλυψαν βαρυτικά κύματα προερχόμενα από την σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών με μάζες 85 και 66 φορές μεγαλύτερες από αυτήν του Ήλιου! Δεδομένου, όμως, ότι ένα άστρο που καταρρέει δεν μπορεί να σχηματίσει μια μαύρη τρύπα με μάζα 65-120 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ήλιου, η βαρύτερη από αυτές (και πιθανώς και η ελαφρύτερη) ήταν οι πρώτες που βρέθηκαν εντός αυτού του «απαγορευμένου» εύρους στην κλίμακα μαζών. Σύμφωνα με πολλούς αστρονόμους, αυτού του είδους οι μαύρες τρύπες σχηματίζονται διαμέσου της ιεραρχικής συγχώνευσης, όταν δηλαδή μικρότερες αστρικές μαύρες τρύπες συγχωνεύονται σε μεγαλύτερες. Μια άλλη, όμως, ιδέα που άρχισε να διερευνάται σε βάθος τα τελευταία χρόνια είναι ότι κάποιες τουλάχιστον από αυτές έχουν αρχέγονη προέλευση.

Με ποιον, όμως, τρόπο μπορούν να περιοριστούν με βάση τα παρατηρησιακά δεδομένα ο αριθμός και το μέγεθος των ΑΜΤ στο σημερινό Σύμπαν; Υπερβολικά μικρές μαύρες τρύπες, με μάζα μικρότερη των 1017 gr (δηλαδή περίπου όσο το όρος Έβερεστ συμπιεσμένο σε μια μαύρη τρύπα με ακτίνα μικρότερη αυτής ενός ατόμου υδρογόνου), είναι αδύνατο να υπάρξουν γιατί, όπως απέδειξε ο Steven Hawking, θα πρέπει να έχουν ήδη εξαϋλωθεί, εκλύοντας ακτινοβολία. Εάν, από την άλλη, είχαν δημιουργηθεί ΑΜΤ με υπερβολικά μεγάλη μάζα σχεδόν αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη, τότε η βαρύτητά τους θα είχε διαταράξει βίαια τα αστρικά σμήνη και τους σπειροειδείς βραχίονες των γαλαξιών τους. Με δεδομένο ότι οι αστρονόμοι δεν παρατηρούν τέτοιες μεγάλης κλίμακας διαταραχές, οι πραγματικά γιγάντιες ΑΜΤ, εάν υπάρχουν, θα πρέπει να είναι εξαιρετικά σπάνιες.

Οι αστρονόμοι, τέλος, έχουν δείξει ότι δεν μπορεί να υπάρχει μεγάλος πληθυσμός από ΑΜΤ ενδιάμεσης μάζας, διότι σε διαφορετική περίπτωση θα έπρεπε να είχαν «εμφανιστεί» σε επισκοπήσεις βαρυτικής μικροεστίασης, όταν δηλαδή μικρότερα αντικείμενα, όπως μεμονωμένα άστρα και πλανήτες, λειτουργούν ως βαρυτικοί φακοί, καθώς διέρχονται μπροστά από άλλα άστρα, μεγεθύνοντας την φωτεινότητά τους. Απ’ ό,τι φαίνεται, δηλαδή, οι ΑΜΤ θα μπορούσαν να αποτελούν μέρος τουλάχιστον της σκοτεινής ύλης του Σύμπαντος, μόνο εάν οι μάζες τους κατανέμονταν σε όλο το εύρος της κλίμακας μαζών, αλλά με ελάχιστες απ’ αυτές να αντιστοιχούν σε κάθε δεδομένη τιμή.

Συμπερασματικά, «το γεγονός ότι μέχρι στιγμής δεν έχουν ανιχνευθεί σωματίδια σκοτεινής ύλης, καθώς και η ανακάλυψη βαρυτικών κυμάτων από συγκρούσεις μαύρων τρυπών με μάζα αρκετές δεκάδες φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ήλιου, οδήγησε σε μια αναζωπύρωση του ενδιαφέροντος για την πιθανότητα να απαρτίζεται ένα μέρος της τουλάχιστον από ΑΜΤ. Αυτό με την σειρά του έχει ήδη οδηγήσει σε σημαντικές βελτιώσεις στους θεωρητικούς υπολογισμούς του σχηματισμού τους, αλλά και στο πώς θα μπορούσαν να τεθούν όρια ως προς τον συνολικό αριθμό τους και την μάζα που τους αντιστοιχεί με βάση την παρατήρηση. Σύμφωνα με τα ως τώρα δεδομένα, ΑΜΤ με μάζες που κυμαίνονται από αυτήν ενός πλανήτη μέχρι και αρετές δεκάδες φορές την μάζα του Ήλιου μπορούν να αποτελούν ένα μικρό μόνο μέρος από την σκοτεινή ύλη του Σύμπαντος. Αντιθέτως, ΑΜΤ με μάζα συγκρίσιμη με αυτήν ενός αστεροειδούς (1017–1022 g) παραμένουν ένας βασικός υποψήφιος για την σκοτεινή ύλη […] Ακόμα κι έτσι, μοιάζει σαφές ότι ένας κοσμολογικά ενδιαφέρων αριθμός ΑΜΤ μπορεί να παραχθεί μόνο σε συγκεκριμένα μοντέλα του πρώιμου Σύμπαντος, ενώ συχνά οι θεμελιώδεις παράμετροι των μοντέλων αυτών πρέπει επιλεχθούν επακριβώς, προκειμένου οι προβλέψεις τους να συμφωνούν με την παρατήρηση (fine tuning.

Πηγές:

Primordial Black Holes as a dark matter candidate

How primordial black holes might explain dark matter | Aeon Essays

 

Φωτογραφία: Καλλιτεχνική αναπαράσταση του «διαμελισμού» ενός άστρου από μια ενδιάμεση μαύρη τρύπα [Credit: NASA, ESA and D. Player (STScI)]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π