Εξερράγη μαύρη τρύπα; Η θεωρία των φυσικών που αλλάζει όσα ξέραμε για το Σύμπαν

Επιστήμονες υποστηρίζουν ότι ένα εξαιρετικά ισχυρό νετρίνο, που κάποτε θεωρούνταν αδύνατο να υπάρξει, μπορεί να εξηγηθεί από ένα μοντέλο εξωτικής μαύρης τρύπας που περιλαμβάνει ένα λεγόμενο “σκοτεινό φορτίο”.

Το 2023, ένα νετρίνο προσέκρουσε στη Γη μεταφέροντας περισσότερη ενέργεια από οποιοδήποτε άλλο σωματίδιο έχει παρατηρηθεί ποτέ. Η ανίχνευσή του άφησε άναυδους τους φυσικούς. Η ενέργεια του σωματιδίου μετρήθηκε περίπου 100.000 φορές μεγαλύτερη από εκείνη των ισχυρότερων συγκρούσεων

που παράγονται στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), τον κορυφαίο επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο.

Καμία γνωστή αστροφυσική “μηχανή”, συμπεριλαμβανομένων των υπερνόβα ή των υπερμεγεθών μαύρων τρυπών, δεν θεωρείται ικανή να επιταχύνει ένα σωματίδιο σε τέτοια ακραία επίπεδα.

Φυσικοί στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης Amherst υπέθεσαν πρόσφατα ότι κάτι τέτοιο θα μπορούσε να συμβεί όταν εκρήγνυται ένα ειδικό είδος μαύρης τρύπας, που ονομάζεται “οιονεί ακραία αρχέγονη μαύρη τρύπα” (quasi-extremal primordial black hole).

Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review Letters, η ομάδα παρουσιάζει ένα μοντέλο που όχι μόνο εξηγεί πώς θα μπορούσε να σχηματιστεί ένα τόσο εξαιρετικό νετρίνο, αλλά υποστηρίζει επίσης ότι το γεγονός αυτό μπορεί να προσφέρει στοιχεία για το σύμπαν στο πιο θεμελιώδες επίπεδό του.

Μαύρες τρύπες και ακτινοβολία Hawking

Οι περισσότερες μαύρες τρύπες σχηματίζονται όταν τεράστια άστρα καταρρέουν υπό το βάρος της ίδιας τους της βαρύτητας.  Αυτά τα αστρικά υπολείμματα είναι κολοσσιαία, μακρόβια και σχετικά σταθερά. Όμως οι αρχέγονες μαύρες τρύπες, αν υπάρχουν, θα είχαν σχηματιστεί κατά τις χαοτικές πρώτες στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang), όταν μικροσκοπικές διακυμάνσεις στην πυκνότητα θα μπορούσαν να έχουν συμπιέσει την ύλη σε μικροσκοπικές μαύρες τρύπες.

Σε αντίθεση με τα αστρικά “ξαδέρφια” τους, οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να είναι πολύ μικρότερες. Και σύμφωνα με το πρωτοποριακό έργο του Στίβεν Χόκινγκ τη δεκαετία του 1970, οι μικρές μαύρες τρύπες δεν είναι εντελώς μαύρες.

Χάνουν αργά μάζα εκπέμποντας σωματίδια μέσω μιας κβαντικής διαδικασίας, γνωστής πλέον ως ακτινοβολία Hawking. Καθώς συρρικνώνονται, θερμαίνονται. Καθώς θερμαίνονται, ακτινοβολούν ταχύτερα.  Τελικά, αυτός ο κύκλος ανατροφοδότησης θα μπορούσε να καταλήξει σε μια ισχυρή έκρηξη σωματιδίων.

«Όσο ελαφρύτερη είναι μια μαύρη τρύπα, τόσο πιο θερμή αναμένεται να είναι και τόσο περισσότερα σωματίδια θα εκπέμπει», λέει η Andrea Thamm, μια από τους συγγραφείς της νέας έρευνας και επίκουρη καθηγήτρια φυσικής στο UMass Amherst.

«Καθώς οι αρχέγονες μαύρες τρύπες (PBHs) εξατμίζονται, γίνονται όλο και πιο ελαφριές, και άρα πιο θερμές, εκπέμποντας ακόμη περισσότερη ακτινοβολία σε μια ανεξέλεγκτη διαδικασία μέχρι την έκρηξη.  Αυτή ακριβώς την ακτινοβολία Hawking μπορούν να ανιχνεύσουν τα τηλεσκόπιά μας».

Οι εκρήξεις ως κοσμικοί κατάλογοι σωματιδίων

Η ανίχνευση μιας τέτοιας έκρηξης θα ήταν επιστημονικά επαναστατική. Θα μπορούσε ουσιαστικά να αποκαλύψει μια πλήρη απογραφή των θεμελιωδών σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένων των γνωστών, όπως τα ηλεκτρόνια, τα κουάρκ και τα μποζόνια Higgs, καθώς και υποθετικών σωματιδίων, όπως αυτά που θεωρείται ότι αποτελούν τη σκοτεινή ύλη, και ενδεχομένως εντελώς νέων σωματιδίων που δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ.

Γιατί αυτό είναι σημαντικό;

Προηγούμενη εργασία της ομάδας του UMass Amherst υποδηλώνει ότι αυτά τα εκρηκτικά γεγονότα μπορεί να συμβαίνουν ακόμη και μία φορά κάθε δεκαετία.   Με προσεκτική παρακολούθηση, τα υπάρχοντα παρατηρητήρια θα μπορούσαν ενδεχομένως να τα καταγράψουν.

                    

Μέχρι εδώ, όλα αυτά παρέμεναν σε θεωρητικό επίπεδο. Στη συνέχεια, το 2023, ένα πείραμα που ονομάζεται “Συνεργασία KM3NeT” (KM3NeT Collaboration) ανίχνευσε εκείνο το “αδύνατο” νετρίνο — ακριβώς το είδος της απόδειξης που η ομάδα του UMass Amherst είχε υποθέσει ότι ίσως βλέπαμε σύντομα.

Υπήρχε όμως ένα πρόβλημα:  Ένα παρόμοιο πείραμα, με την ονομασία IceCube, το οποίο είναι επίσης σχεδιασμένο για να καταγράφει κοσμικά νετρίνα υψηλής ενέργειας, όχι μόνο δεν κατέγραψε το γεγονός, αλλά δεν είχε καταμετρήσει ποτέ τίποτα ούτε με το ένα εκατοστό της ισχύος του.

Εάν το σύμπαν είναι σχετικά “πυκνό” σε αρχέγονες μαύρες τρύπες (PBHs) και αυτές εκρήγνυνται συχνά, δεν θα έπρεπε να “λουζόμαστε” από νετρίνα υψηλής ενέργειας;  Τι μπορεί να εξηγήσει αυτή την απόκλιση;

Σκοτεινό φορτίο και οιονεί Ακραίες μαύρες τρύπες

«Πιστεύουμε ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες (PBHs) με ‘σκοτεινό φορτίο’ —αυτό που ονομάζουμε οιονεί ακραίες PBHs— είναι ο συνδετικός κρίκος που λείπει», λέει ο Joaquim Iguaz Juan, μεταδιδακτορικός ερευνητής φυσικής στο UMass Amherst και ένας από τους συν-συγγραφείς της δημοσίευσης.

Το σκοτεινό φορτίο είναι ουσιαστικά ένα αντίγραφο της συνηθισμένης ηλεκτρικής δύναμης όπως τη γνωρίζουμε, η οποία όμως περιλαμβάνει μια πολύ βαριά, υποθετική εκδοχή του ηλεκτρονίου, την οποία η ομάδα αποκαλεί ‘σκοτεινό ηλεκτρόνιο’.  «Υπάρχουν και άλλα, απλούστερα μοντέλα αρχέγονων μαύρων τρυπών», λέει ο Michael Baker, ένας ακόμη συγγραφέας και επίκουρος καθηγητής φυσικής στο UMass Amherst.

«Το δικό μας μοντέλο σκοτεινού φορτίου είναι πιο σύνθετο, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να παρέχει ένα ακριβέστερο μοντέλο της πραγματικότητας. Το συναρπαστικό είναι να βλέπουμε ότι το μοντέλο μας μπορεί να εξηγήσει αυτό το κατά τα άλλα ανεξήγητο φαινόμενο».

«Μια αρχέγονη μαύρη τρύπα (PBH) με σκοτεινό φορτίο», προσθέτει η Thamm, «έχει μοναδικές ιδιότητες και συμπεριφέρεται με τρόπους που διαφέρουν από άλλα, απλούστερα μοντέλα PBH. Δείξαμε ότι αυτό μπορεί να προσφέρει μια εξήγηση για όλα τα φαινομενικά ασυνεπή πειραματικά δεδομένα».

Επιπτώσεις για τη σκοτεινή ύλη

Η ομάδα είναι βέβαιη ότι το μοντέλο τους για τις αρχέγονες μαύρες τρύπες (PBHs) με σκοτεινό φορτίο, όχι μόνο μπορεί να εξηγήσει το νετρίνο, αλλά μπορεί επίσης να δώσει απάντηση στο μυστήριο της σκοτεινής ύλης.

«Οι παρατηρήσεις των γαλαξιών και της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου υποδηλώνουν ότι κάποιου είδους σκοτεινή ύλη υπάρχει», λέει ο Baker. «Αν το υποθετικό σκοτεινό φορτίο μας αληθεύει», προσθέτει ο Iguaz Juan, «τότε πιστεύουμε ότι θα μπορούσε να υπάρχει ένας σημαντικός πληθυσμός αρχέγονων μαύρων τρυπών, ο οποίος θα ήταν συνεπής με άλλες αστροφυσικές παρατηρήσεις και θα αντιπροσώπευε όλη τη σκοτεινή ύλη που λείπει από το σύμπαν». «Η παρατήρηση του νετρίνου υψηλής ενέργειας ήταν ένα απίστευτο γεγονός», καταλήγει ο Baker.

 

«Μας άνοιξε ένα νέο παράθυρο στο σύμπαν. Όμως τώρα θα μπορούσαμε να βρισκόμαστε στο κατώφλι της πειραματικής επαλήθευσης της ακτινοβολίας Hawking, αποκτώντας αποδείξεις τόσο για τις αρχέγονες μαύρες τρύπες όσο και για νέα σωματίδια πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο, λύνοντας παράλληλα το μυστήριο της σκοτεινής ύλης».

Από το enikos