Το σύμπαν κρύβει ένα παράδοξο: Υπάρχουν πράγματα που δεν… υπάρχουν όντως

Πώς μπορεί κανείς να αποδείξει ότι, μέσα στο τεράστιο σύμπαν, ορισμένα αντικείμενα απλώς δεν υπάρχουν; Αυτό το ερώτημα έχει απασχολήσει τους επιστήμονες που μελετούν τα βαρυτικά κύματα — τις ρυτιδώσεις του χωροχρόνου που προκαλούνται όταν δύο τεράστια σώματα, όπως οι μαύρες τρύπες, περιστρέφονται και συγχωνεύονται.

Για δεκαετίες, οι θεωρητικοί φυσικοί πίστευαν ότι τα άστρα σε ένα συγκεκριμένο εύρος πολύ υψηλής μάζας δεν μπορούν να καταρρεύσουν ώστε να σχηματίσουν μαύρη τρύπα. Ωστόσο, οι αστρονόμοι δεν είχαν εντοπίσει αποδείξεις για αυτό το λεγόμενο κενό μάζας — μέχρι σήμερα.

«Αυτό που βλέπουν είναι ουσιαστικά αυτό που είχαμε προβλέψει», δηλώνει ο θεωρητικός αστροφυσικός Stanford Woosley από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Κρουζ (UCSC), ο οποίος είχε προβλέψει περίπου το ίδιο εύρος μάζας στις αρχές της δεκαετίας του 2000 χρησιμοποιώντας θεωρητικά μοντέλα. «Προσωπικά, νιώθω μεγάλη ικανοποίηση που το βλέπω να επιβεβαιώνεται».

Όταν ένα άστρο μεγάλης μάζας εξαντλήσει τα καύσιμά του, καταρρέει σε ένα απειροελάχιστο σημείο, αφήνοντας πίσω μόνο το πανίσχυρο βαρυτικό του πεδίο — μια μαύρη τρύπα. Ωστόσο, ήδη από τη δεκαετία του 1960, οι φυσικοί είχαν διατυπώσει τη θεωρία ότι τα εξαιρετικά μεγάλα άστρα μπορεί να πεθαίνουν διαφορετικά: εκρήγνυνται με τόση δύναμη ώστε διαλύονται ολοκληρωτικά, σκορπίζοντας την ύλη τους χωρίς να αφήνουν τίποτα πίσω.

Αυτό συμβαίνει επειδή στα πιο ογκώδη άστρα η εσωτερική πίεση του φωτός μπορεί να αποτρέψει την κατάρρευση. Όταν το άστρο φτάσει σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, τα φωτόνια αρχίζουν να μετατρέπονται αυθόρμητα σε ζεύγη ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων, μειώνοντας την πίεση που το στηρίζει. Τότε η βαρύτητα υπερισχύει προσωρινά, συμπιέζοντας τον πυρήνα του άστρου έως ότου αυτό εκραγεί σε μια εκτυφλωτική υπερκαινοφανή έκρηξη.

Οι αστρονόμοι θεωρούν ότι αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως αστάθεια ζευγών, εξηγεί τι συμβαίνει στα άστρα του «απαγορευμένου εύρους» όταν πεθαίνουν. «Δεν αφήνουν πίσω μαύρη τρύπα», εξηγεί η αστροφυσικός Maya Fishbach από το Πανεπιστήμιο του Τορόντο, συν-συγγραφέας της νέας μελέτης. «Αντίθετα, ολόκληρο το άστρο εκρήγνυται και δεν μένει τίποτα». Η πρόβλεψη αυτή δημιούργησε ένα μυστήριο δεκαετιών: πόσο μεγάλα πρέπει να είναι τα άστρα για να αυτοκαταστραφούν;

Από το 2015, οι επιστήμονες έχουν τη δυνατότητα να εξετάσουν αυτό το ερώτημα με παρατηρήσεις. Όργανα όπως το Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory (LIGO) στις ΗΠΑ και το Virgo στην Ιταλία μπορούν να ανιχνεύουν τα εξαιρετικά αδύναμα βαρυτικά κύματα που δημιουργούνται όταν δύο μαύρες τρύπες συγχωνεύονται. Τα τελευταία χρόνια, τα LIGO και Virgo έχουν εντοπίσει εκατοντάδες τέτοιες συγχωνεύσεις, επιτρέποντας στους ερευνητές να υπολογίσουν τις μάζες και τις περιστροφές των μαύρων τρυπών. Έτσι, θεωρητικά, αρκεί να εξετάσουν εάν υπάρχει κενό στο φάσμα των μαζών.

Η νέα ανάλυση και το «κενό μάζας»

Υπάρχει όμως ένα σημαντικό εμπόδιο. Οι ίδιες οι παρατηρήσεις του LIGO και του Virgo δείχνουν ότι δύο μικρότερες μαύρες τρύπες μπορούν να συγχωνευθούν και να σχηματίσουν μια μεγαλύτερη, δεύτερης γενιάς. Αυτές οι βαρύτερες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να καλύπτουν το λεγόμενο ανώτερο κενό μάζας. Αντίστοιχα, υπάρχει και ένα κατώτερο κενό, που οφείλεται σε άστρα πολύ μικρά για να δημιουργήσουν μαύρες τρύπες. Συνεπώς, η απλή καταγραφή των μαζών δεν αρκεί για να αποκαλύψει το κενό.

Για να ξεπεράσουν αυτό το πρόβλημα, η Fishbach και οι συνεργάτες της ανέλυσαν 153 συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών μεγάλης μάζας. Επέλεξαν να αγνοήσουν τη μάζα της βαρύτερης μαύρης τρύπας κάθε ζεύγους και να επικεντρωθούν στη μικρότερη, καθώς αυτή πιθανότατα ανήκει στην πρώτη γενιά που σχηματίστηκε από την κατάρρευση ενός άστρου. Πράγματι, εντόπισαν ένα εύρος μαζών, ξεκινώντας από περίπου 44 φορές τη μάζα του Ήλιου, όπου τα άστρα δεν σχηματίζουν μαύρες τρύπες, όπως αναφέρουν στο περιοδικό Nature.

Αν και οι ερευνητές εντόπισαν ορισμένες μαύρες τρύπες κοντά στις 90 ηλιακές μάζες, οι μετρήσεις έδειξαν ταχύτερη περιστροφή από την αναμενόμενη, στοιχείο που υποδηλώνει ότι προήλθαν από προηγούμενη συγχώνευση δύο μικρότερων μαύρων τρυπών.

«Η ερμηνεία που παρουσιάζουν οι συγγραφείς δεν έχει ουσιαστικά κανένα κενό και συμφωνεί με όσα γνωρίζουμε», δηλώνει ο αστρονόμος Ryan Foley από το UCSC. Η φυσικός Djuna Croon από το Πανεπιστήμιο του Durham, που δεν συμμετείχε στη μελέτη, χαρακτηρίζει το εύρος μαζών που προκύπτει «μια εξαιρετικά ενδιαφέρουσα πρόβλεψη στο σταυροδρόμι της σωματιδιακής φυσικής, της πυρηνικής φυσικής, της εξέλιξης των άστρων και της αστρονομίας βαρυτικών κυμάτων».

Η Fishbach ελπίζει ότι μελλοντικές παρατηρήσεις θα επιτρέψουν τον ακριβέστερο καθορισμό των ορίων του κενού μάζας, αποκαλύπτοντας περισσότερα για τη φυσική στο εσωτερικό των άστρων. Ωστόσο, σημειώνει ότι είναι αδύνατον να γνωρίζουμε με βεβαιότητα πόσο «απαγορευμένο» είναι το συγκεκριμένο εύρος. «Μπορούμε πραγματικά να πούμε ότι τα τεράστια άστρα δεν σχηματίζουν ποτέ τέτοιες μαύρες τρύπες;» αναρωτιέται. «Το σύμπαν είναι απέραντο — και μπορεί να κρύβει μερικά πολύ παράξενα άστρα εκεί έξω».

Πηγή: Science.org