Οι μαύρες τρύπες δημιουργούν σκοτεινή ενέργεια; Εδώ είναι τι έχουν να πουν οι επιστήμονες

Ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια στην κοσμολογία είναι η φύση αυτού που αποκαλούμε σκοτεινή ενέργεια. Αυτή η μυστηριώδης δύναμη οδηγεί τη διαστολή του σύμπαντος να επιταχυνθεί. Η σκοτεινή ενέργεια είναι ένα άγνωστο συστατικό του σύμπαντος που φαίνεται να αποτελεί περίπου το 70% του σύμπαντος σήμερα. Δρα με απωθητικό τρόπο (αρνητική πίεση) έτσι ώστε αντί η βαρύτητα να επιβραδύνει τη διαστολή, η σκοτεινή ενέργεια την οδηγεί τώρα προς τα έξω.

Μέχρι πρόσφατα, η καθιερωμένη άποψη ήταν ότι η σκοτεινή ενέργεια είναι σταθερή στο χρόνο, η λεγόμενη «κοσμολογική σταθερά». Όμως μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης αμφισβητεί αυτή την υπόθεση. Αντί να είναι σταθερή, η σκοτεινή ενέργεια μπορεί να αλλάζει σε όλη την κοσμική ιστορία, αλλά επιπλέον, αυτή η έρευνα φαίνεται να δείχνει ότι ο κινητήρας πίσω από αυτήν μπορεί να είναι η κατάρρευση των αστεριών σε μαύρες τρύπες. Οι ερευνητές προτείνουν ένα μοντέλο στο οποίο καταρρέουν τεράστια αστέρια παράγουν μαύρες τρύπες που μετατρέπουν τη συνηθισμένη ύλη σε σκοτεινή ενέργεια με την πάροδο του χρόνου, συνδέοντας παρατηρήσεις από τη μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντος, το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων και τις έρευνες γαλαξιών.

Το DESI είναι ένα αστρονομικό όργανο αιχμής που έχει σχεδιαστεί για να χαρτογραφεί τη μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντος – δημιουργώντας ακόμη και τον πιο λεπτομερή τρισδιάστατο χάρτη του σύμπαντος – μετρώντας το φως ενός εκατομμυρίου γαλαξιών. Βρίσκεται στο Εθνικό Αστεροσκοπείο Kitt Peak στην Αριζόνα, το DESI διαθέτει περίπου 5.000 ρομποτικά «μάτια» που μπορούν ταυτόχρονα να συλλέγουν φως από χιλιάδες γαλαξίες και άλλα μακρινά αντικείμενα, χαρτογραφώντας έτσι το σύμπαν σε δισεκατομμύρια έτη φωτός.

Στη νέα μελέτη, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν τις ακριβείς μετρήσεις του DESI για το πώς οι γαλαξίες συγκεντρώνονται και απομακρύνονται για να δοκιμάσουν διαφορετικά μοντέλα σκοτεινής ενέργειας. Όταν συνέκριναν αυτές τις παρατηρήσεις με το τυπικό μοντέλο που υποθέτει σταθερή σκοτεινή ενέργεια (γνωστό ως Lambda-Cold-Dark-Matter ή ΛCDM) βρήκαν ασυνέπειες, ιδιαίτερα στο πώς το περιεχόμενο της ύλης του σύμπαντος φαίνεται να εξελίσσεται με την πάροδο του χρόνου. Στη συνέχεια, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια εναλλακτική εξήγηση βασισμένη στο πώς αλληλεπιδρούν οι μαύρες τρύπες με τη διαστολή του σύμπαντος.

Σύμφωνα με το νέο μοντέλο, όταν τα τεράστια αστέρια καταρρέουν στο τέλος της ζωής τους, οι προκύπτουσες μαύρες τρύπες δεν παγιδεύουν απλώς μάζα και ενέργεια μέσα στους ορίζοντες γεγονότων τους. Αντίθετα, συνδέονται κοσμολογικά, που σημαίνει ότι καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, η εσωτερική ενέργεια αυτών των μαύρων οπών αλλάζει ανάλογα με αυτή τη διαστολή. Αυτή η σύζευξη τους επιτρέπει αποτελεσματικά να απελευθερώσουν ή να μετατρέψουν μέρος της μάζας-ενέργειάς τους στη μορφή της σκοτεινής ενέργειας που γεμίζει το σύμπαν.

Καθώς περισσότερα αστέρια γεννιούνται, πεθαίνουν και καταρρέουν σε μαύρες τρύπες, η συνολική πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας θα αυξανόταν, ταιριάζοντας με την παρατηρούμενη επιτάχυνση της κοσμικής διαστολής. Τα δεδομένα DESI ευθυγραμμίζονται καλύτερα με αυτό το σενάριο παρά με μοντέλα όπου η σκοτεινή ενέργεια παραμένει σταθερή. Συνδέοντας τους κύκλους ζωής των αστεριών και των μαύρων τρυπών με τη συμπεριφορά μεγάλης κλίμακας του σύμπαντος, οι ερευνητές προτείνουν μια δυναμική εικόνα της κοσμικής εξέλιξης στην οποία οι ίδιες διαδικασίες που δημιουργούν μαύρες τρύπες μπορεί επίσης να οδηγούν τη μυστηριώδη δύναμη που απομακρύνει τους γαλαξίες.

Ενώ η ιδέα ότι οι μαύρες τρύπες μπορεί να είναι η πηγή της σκοτεινής ενέργειας και η διαστολή του σύμπαντος είναι εντυπωσιακή, η πραγματική επιστημονική σημασία αυτής της μελέτης έγκειται στο πώς αναδιαμορφώνει την κατανόησή μας για την ενεργειακή ισορροπία του σύμπαντος, ειδικά όταν πρόκειται για νετρίνα και σκοτεινή ύλη.

Τα νετρίνα είναι απίστευτα ελαφριά, σχεδόν αόρατα σωματίδια που διασχίζουν το σύμπαν σε τεράστιους αριθμούς. Για δεκαετίες, πειράματα στη σωματιδιακή φυσική έχουν επιβεβαιώσει ότι τα νετρίνα έχουν μικρή αλλά θετική μάζα. Αυτή η ανακάλυψη ήταν πρωτοποριακή, αφού το Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των Σωματιδίων τα αντιμετώπιζε αρχικά ως χωρίς μάζα. Ωστόσο, όταν οι κοσμολόγοι χρησιμοποίησαν το μοντέλο σταθερής σκοτεινής ενέργειας για να χωρέσουν κοσμικά δεδομένα, συνέβη κάτι περίεργο. Η εξίσωση πρότεινε ότι, για να ταιριάζουν οι παρατηρήσεις, τα νετρίνα θα έπρεπε να έχουν αρνητική μάζα, κάτι που είναι φυσικά αδύνατο.

Αυτό είναι όπου το νέο μοντέλο σκοτεινής ενέργειας που βασίζεται σε μαύρες τρύπες προσφέρει μια λύση. Εάν η σκοτεινή ενέργεια δεν είναι σταθερή, αλλά αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου, επειδή η ενέργεια από τα αστέρια που έχουν καταρρεύσει σταδιακά συμβάλλει σε αυτήν, τότε η συνολική ποσότητα ύλης στο σύμπαν μειώνεται σιγά-σιγά. Αυτή η μετατόπιση σημαίνει ότι τα κοσμολογικά δεδομένα δεν απαιτούν πλέον αρνητική μάζα νετρίνων. Σε αυτό το μοντέλο, το σύμπαν μπορεί να έχει θετικές μάζες νετρίνων, ενώ εξακολουθεί να ταιριάζει με τα δεδομένα σμήνος γαλαξιών και διαστολής που συλλέγονται από το έργο DESI.

Αυτή η προσέγγιση επηρεάζει επίσης έμμεσα τις εκτιμήσεις της σκοτεινής ύλης, καθώς η αλλαγή της συνολικής ισορροπίας ύλης-ενέργειας αλλάζει πόση αόρατη ύλη χρειάζεται το σύμπαν για να εξηγήσει τη δομή του. Το αποτέλεσμα είναι μια πιο ευέλικτη, αυτοσυνεπής εικόνα: μια εικόνα όπου οι μαύρες τρύπες, η σκοτεινή ενέργεια, η σκοτεινή ύλη και τα νετρίνα εξελίσσονται μαζί σε ένα ενοποιημένο κοσμικό πλαίσιο.