Το Σύμπαν ως «ελβετικό τυρί»: πώς οι μαύρες τρύπες ίσως προκαλούν τη διαστολή του

Μια νέα θεωρία προτείνει ότι οι αρχέγονες (πρωταρχικές) μαύρες τρύπες ίσως ευθύνονται για την κοσμική επιτάχυνση.

Εδώ και πάνω από δύο δεκαετίες, οι επιστήμονες γνωρίζουν πως το Σύμπαν μας δεν διαστέλλεται απλώς, αλλά διαστέλλεται ολοένα και πιο γρήγορα. Η βαρύτητα, που θα περίμενε κανείς να επιβραδύνει τη διαστολή, φαίνεται να υποχωρεί μπροστά σε μια μυστηριώδη δύναμη που ωθεί τα πάντα προς τα έξω. Αυτή η απρόσμενη επιτάχυνση αποδόθηκε στη λεγόμενη σκοτεινή ενέργεια, μια υποθετική μορφή ενέργειας που γεμίζει τον χώρο και δρα σαν αντιβαρύτητα.

Ωστόσο, όσο κι αν η σκοτεινή ενέργεια ταιριάζει στα μαθηματικά, παραμένει εντελώς αόρατη. Δεν έχει ανιχνευθεί ποτέ άμεσα, και η φύση της είναι άγνωστη. Πολλοί φυσικοί θεωρούν ότι ίσως είναι απλώς μια «συμπτωματική» παράμετρος στις εξισώσεις· ένα κοσμικό μπάλωμα για κάτι βαθύτερο που δεν κατανοούμε ακόμη.

Μια νέα εργασία από τρεις Έλληνες ερευνητές, τον Κωνσταντίνο Διαλεκτόπουλο (συγγραφέα του παρόντος), τον Θεόδωρο Παπανικολάου και τον Βασίλειο Ζαρίκα, προτείνει μια ριζικά διαφορετική εξήγηση, που δεν απαιτεί καμία νέα μορφή ύλης ή ενέργειας. Σύμφωνα με τη μελέτη αυτή, η επιτάχυνση της κοσμικής διαστολής θα μπορούσε να οφείλεται σε κάτι ήδη γνωστό: στις μαύρες τρύπες. Πιο συγκεκριμένα, στις πρωταρχικές μαύρες τρύπες (Primordial Black Holes, ή PBHs), μικροσκοπικά απομεινάρια των πρώτων στιγμών του Σύμπαντος, που διαθέτουν μια απροσδόκητη, απωθητική φύση.

Οι πρωταρχικές μαύρες τρύπες διαφέρουν ριζικά από τις «συνηθισμένες» μαύρες τρύπες που σχηματίζονται από την κατάρρευση άστρων. Δημιουργήθηκαν πιθανότατα στα πρώτα κλάσματα δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν μικρές ανομοιομορφίες στην πυκνότητα του καυτού κοσμικού πλάσματος μπορούσαν να προκαλέσουν βαρυτική κατάρρευση. Οι πιο ελαφριές, με μάζες κάτω από περίπου 109 γραμμάρια, θεωρητικά εξατμίζονται μέσα στην ηλικία του Σύμπαντος, απελευθερώνοντας ακτινοβολία σύμφωνα με τον μηχανισμό του Stephen Hawking. Για τις πιο μαζικές, ο μηχανισμός αυτός είναι πολύ αδύναμος, οπότε αναμένεται να έχουν επιβιώσει μέχρι σήμερα.

Εδώ και χρόνια, οι επιστήμονες έχουν προτείνει ότι οι PBHs ίσως εξηγούν τη σκοτεινή ύλη ή ορισμένα από τα σήματα συγχωνεύσεων που καταγράφουν τα τηλεσκόπια βαρυτικών κυμάτων. Όμως, η νέα αυτή εργασία πηγαίνει ένα βήμα παραπέρα: δείχνει ότι αυτές οι μικρές μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να ευθύνονται και για την ίδια την επιτάχυνση του Σύμπαντος.

Το κλειδί βρίσκεται στην έννοια των λεγόμενων «κανονικών» (regular) μαύρων τρυπών. Στη Γενική Σχετικότητα, οι γνωστές μαύρες τρύπες διαθέτουν ένα σημείο άπειρης πυκνότητας στο κέντρο τους, τη λεγόμενη μοναδικότητα. Οι regular μαύρες τρύπες όμως, είναι θεωρητικές λύσεις των εξισώσεων του Αϊνστάιν που δεν έχουν μοναδικότητα. Στο εσωτερικό τους υπάρχει μια περιοχή με θετική ενέργεια κενού, παρόμοια με τον χώρο de Sitter, που έχει απωθητική φύση. 

Αυτό σημαίνει ότι, ενώ εξωτερικά εξακολουθούν να έλκουν την ύλη, στο εσωτερικό τους «σπρώχνουν» τον χώρο προς τα έξω. Αν, λοιπόν, το πρώιμο Σύμπαν ήταν γεμάτο από τέτοιες PBHs, οι απωθητικές τους ιδιότητες θα μπορούσαν, σε μεγάλη κλίμακα, να προκαλέσουν μια φυσική επιτάχυνση της διαστολής, χωρία καμία ανάγκη για σκοτεινή ενέργεια.

Για να περιγράψουν αυτή τη διαδικασία, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια κλασική κοσμολογική μέθοδο που ονομάζεται μοντέλο «ελβετικού τυριού» (Swiss Cheese Cosmology). Φανταστείτε το Σύμπαν σαν ένα τεράστιο κομμάτι ελβετικού τυριού: το συμπαγές μέρος είναι το ομοιογενές κοσμικό υπόβαθρο, ενώ οι «τρύπες» είναι οι μαύρες τρύπες που βρίσκονται διάσπαρτες μέσα του. Στην εκδοχή που είχε προτείνει ο Αϊνστάιν, το Σύμπαν διαστέλλεται χωρίς επιτάχυνση. Οι Έλληνες φυσικοί όμως έδειξαν ότι αν οι τρύπες είναι «κανονικές» PBHs με απωθητικό εσωτερικό, τότε το ίδιο μοντέλο παράγει μια φυσική φάση κοσμικής επιτάχυνσης. 

Η επιτάχυνση αυτή μάλιστα μπορεί να περιγράψει τον πληθωρισμό, την εκρηκτική διαστολή που θεωρούμε πως συνέβη στα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Και το καταφέρνει χωρίς την ανάγκη ενός «πληθωριστικού πεδίου» (inflaton field), της υποθετικής οντότητας που χρησιμοποιείται στις περισσότερες θεωρίες. Όταν η πυκνότητα των PBHs πέσει κάτω από μια κρίσιμη τιμή ή όταν αρχίσουν να εξατμίζονται, η επιτάχυνση σταματά φυσικά, χωρίς να απαιτείται προσεκτική ρύθμιση των παραμέτρων. Η εξάτμισή τους απελευθερώνει ενέργεια, θερμαίνοντας ξανά το Σύμπαν, μια διαδικασία που ονομάζεται επαναθέρμανση (reheating). 

Ανάλογα με τη μάζα τους, οι PBHs μπορούν να προκαλέσουν διαφορετικές φάσεις. Οι πολύ ελαφριές (κάτω από 5×10⁸ γραμμάρια) μπορούν να προκαλέσουν πλήρη πληθωριστική φάση στο πρώιμο Σύμπαν. Οι πιο βαριές (γύρω στα 10¹² γραμμάρια) θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε μια φάση πρώιμης σκοτεινής ενέργειας (early dark energy), λίγο πριν από τη στιγμή που η ύλη άρχισε να κυριαρχεί έναντι της ακτινοβολίας.  Αυτή η φάση ίσως εξηγεί και τη διαφορά στις μετρήσεις του ρυθμού διαστολής του Σύμπαντος, το γνωστό «πρόβλημα του Hubble».

Η πρόταση των Διαλεκτόπουλου, Παπανικολάου και Ζαρίκα είναι ελκυστική γιατί δεν χρειάζεται να προσθέσουμε τίποτα «εξωτικό» στη φυσική. Η ίδια η βαρύτητα, όταν εκφραστεί μέσα στις πιο πλήρεις μορφές των εξισώσεων του Αϊνστάιν, φαίνεται ικανή να προκαλέσει και να σταματήσει την επιτάχυνση του Σύμπαντος. Αν επιβεβαιωθεί, αυτή η θεωρία θα ενώσει τρία μεγάλα μυστήρια της κοσμολογίας: τη γέννηση του Σύμπαντος, τη σκοτεινή ενέργεια και τη φύση των πρωταρχικών μαύρων τρυπών. 

Ίσως τελικά οι μαύρες τρύπες, τα πιο σκοτεινά αντικείμενα της φύσης, να είναι υπεύθυνες για το πιο φωτεινό γεγονός που έχει συμβεί ποτέ: τη διαστολή και τη δημιουργία του ίδιου του Σύμπαντος. 

Η εργασία “Primordial black holes as cosmic expansion accelerators” τιμήθηκε με Εύφημο Μνεία (Honorable Mention) από το Gravity Research Foundation, έναν από τους πιο αναγνωρισμένους διεθνείς θεσμούς βράβευσης ερευνητικών ιδεών στη βαρύτητα και την κοσμολογία.

Δημοσιεύτηκε στο Physics Letter B.