Τον Φεβρουάριο του 2016, οι επιστήμονες που εργάζονταν για το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων του Ιντερφερόμετρου (LIGO) έγραψαν ιστορία όταν ανακοίνωσαν την πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Από τότε, έχουν πραγματοποιηθεί πολλές ανιχνεύσεις και οι επιστημονικές συνεργασίες μεταξύ των παρατηρητηρίων - όπως το Advanced LIGO και το Advanced Virgo - επιτρέπουν άνευ προηγουμένου επίπεδα ευαισθησίας και ανταλλαγής δεδομένων.
Αυτό το συμβάν όχι μόνο επιβεβαίωσε μια αιωνόβια πρόβλεψη που έκανε η Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν, αλλά οδήγησε σε μια επανάσταση στην αστρονομία. Προκάλεσε επίσης τις ελπίδες ορισμένων επιστημόνων που πίστευαν ότι οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να ευθύνονται για τη «χαμένη μάζα» του Σύμπαντος. Δυστυχώς, μια νέα μελέτη από μια ομάδα φυσικών του UC Berkeley έδειξε ότι οι μαύρες τρύπες δεν είναι η πολυπόθητη πηγή Dark Matter.
Η μελέτη τους, «Όρια σε αστρικά αντικείμενα συμπαγούς μάζας ως σκοτεινό θέμα από το βαρυτικό φακό του τύπου Ia Supernovae», πρόσφατα εμφανίστηκε στο Επιστολές φυσικής αναθεώρησης. Η μελέτη διεξήχθη από τον Miguel Zumalacarregu, παγκόσμιο συνεργάτη Marie Curie στο Κέντρο Κοσμικής Φυσικής του Μπέρκλεϋ (BCCP), με την υποστήριξη του Uros Seljak - καθηγητή κοσμολογίας και συν-διευθυντής του BCCP.
Με απλά λόγια, το Dark Matter παραμένει ένα από τα πιο αόριστα και ενοχλητικά μυστήρια που αντιμετωπίζουν οι αστρονόμοι σήμερα. Παρά το γεγονός ότι αποτελεί το 84,5% της ύλης στο Σύμπαν, όλες οι προσπάθειες να το ανακαλύψουν έχουν μέχρι στιγμής αποτύχει. Έχουν προταθεί πολλοί υποψήφιοι, που κυμαίνονται από πολύ ελαφριά σωματίδια (άξονες) έως αδύναμα αλληλεπιδρώντας Massive Particles (WIMPS) και Massive Compact Halo Objects (MACHOs).
Ωστόσο, αυτοί οι υποψήφιοι κυμαίνονται μαζικά με μια τάξη των 90, την οποία πολλοί θεωρητικοί προσπάθησαν να επιλύσουν προτείνοντας ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν πολλοί τύποι σκοτεινής ύλης. Ωστόσο, αυτό θα απαιτούσε διαφορετικές εξηγήσεις για την προέλευσή τους, οι οποίες θα περιπλέκουν μόνο τα κοσμολογικά μοντέλα. Όπως εξήγησε ο Miguel Zumalacárregui σε πρόσφατο δελτίο τύπου του UC Berkeley:
«Μπορώ να φανταστώ ότι είναι δύο τύποι μαύρων οπών, πολύ βαριές και πολύ ελαφριές, ή μαύρες τρύπες και νέα σωματίδια. Αλλά σε αυτήν την περίπτωση ένα από τα συστατικά είναι τάξεις μεγέθους βαρύτερο από το άλλο, και πρέπει να παράγονται σε συγκρίσιμη αφθονία. Θα πηγαίναμε από κάτι αστροφυσικό σε κάτι που είναι πραγματικά μικροσκοπικό, ίσως ακόμη και το πιο ελαφρύ πράγμα στο σύμπαν, και αυτό θα ήταν πολύ δύσκολο να εξηγηθεί. "
Για χάρη της μελέτης τους, η ομάδα διενήργησε μια στατιστική ανάλυση του 740 των λαμπρότερων σουπερνόβα που ανακαλύφθηκαν (από το 2014) προκειμένου να προσδιορίσει εάν κάποιο από αυτά είχε μεγεθυνθεί ή λάμψει από την παρουσία μιας παρεμβαλλόμενης μαύρης τρύπας. Αυτό το φαινόμενο, όπου η βαρυτική δύναμη ενός μεγάλου αντικειμένου μεγεθύνει το φως που προέρχεται από πιο απομακρυσμένα αντικείμενα είναι γνωστό ως «βαρυτικός φακός».
Βασικά, εάν οι μαύρες τρύπες ήταν η κυρίαρχη μορφή ύλης στο Σύμπαν, τότε οι υπερκαινοφανείς με μεγεθυντική βαρύτητα θα εμφανίζονταν μάλλον συχνά λόγω των αρχέγονων μαύρων οπών. Αυτές οι υποθετικές μορφές μαύρης τρύπας πιστεύεται ότι έχουν σχηματιστεί μέσα στα πρώτα χιλιοστά του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη σε μέρη του Σύμπαντος όπου η μάζα συγκεντρώθηκε σε δεκάδες ή εκατοντάδες Ηλιακές Μάζες, προκαλώντας τη δημιουργία των πρώτων μαύρων οπών.
Η παρουσία αυτού του πληθυσμού μαύρων τρυπών, καθώς και οποιωνδήποτε τεράστιων συμπαγών αντικειμένων, θα κάμψει βαρυτικά και θα μεγεθύνει το φως από μακρινά αντικείμενα στο δρόμο του προς τη Γη. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τα μακρινά σουπερνόβα τύπου Ia, τα οποία οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν εδώ και δεκαετίες ως την τυπική πηγή φωτεινότητας για τη μέτρηση των κοσμικών αποστάσεων και τον ρυθμό με τον οποίο το Σύμπαν επεκτείνεται.
Ωστόσο, αφού διεξήγαγε μια σύνθετη στατιστική ανάλυση δεδομένων σχετικά με τη φωτεινότητα και την απόσταση 740 σουπερνόβα - 580 στην Ένωση και 740 στους καταλόγους Joint Light-curve Analysis (JLA) - η ομάδα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι οκτώ από τα σουπερνόβα πρέπει να είναι πιο φωτεινά από λίγα δέκατα τοις εκατό από αυτό που έχει παρατηρηθεί ιστορικά. Ωστόσο, δεν εντοπίστηκε τέτοια λάμψη, ακόμη και όταν οι μαύρες τρύπες χαμηλής μάζας είχαν ληφθεί υπόψη.
«Δεν μπορείς να δεις αυτό το φαινόμενο σε ένα σουπερνόβα, αλλά όταν τα βάζεις όλα μαζί και κάνεις μια πλήρη Bayesian ανάλυση αρχίζεις να βάζεις πολύ δυνατούς περιορισμούς στη σκοτεινή ύλη, γιατί κάθε σουπερνόβα μετράει και έχεις τόσα πολλά από αυτά», δήλωσε ο Zumalacárregui.
Από την ανάλυσή τους, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι μαύρες τρύπες δεν μπορούν να αποτελούν περισσότερο από περίπου το 40% της σκοτεινής ύλης στο Σύμπαν. Αφού συμπεριέλαβε 1.048 πιο φωτεινά σουπερνόβα από τον κατάλογο Pantheon (και σε μεγαλύτερες αποστάσεις), οι περιορισμοί έγιναν ακόμη πιο αυστηροί. Με αυτό το δεύτερο σύνολο δεδομένων, απέκτησαν ένα ακόμη χαμηλότερο ανώτατο όριο - 23% - από ό, τι στην αρχική τους ανάλυση.
Αυτά τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι καμία από τις σκοτεινές ύλες του Σύμπαντος δεν αποτελείται από βαριές μαύρες τρύπες ή από παρόμοια τεράστια αντικείμενα όπως τα MACHOs. «Επιστρέφουμε στις συνηθισμένες συζητήσεις», δήλωσε ο Seljak. «Τι είναι η σκοτεινή ύλη; Πράγματι, έχουμε πολλές καλές επιλογές. Αυτή είναι μια πρόκληση για τις μελλοντικές γενιές. "
Αυτή η μελέτη βασίστηκε σε προηγούμενη έρευνα που διεξήγαγε η Seljak στα τέλη της δεκαετίας του 1990, όταν οι επιστήμονες θεωρούσαν τα MACHO και άλλα τεράστια αντικείμενα ως πιθανή πηγή σκοτεινής ύλης. Ωστόσο, η μελέτη ήταν περιορισμένη λόγω του γεγονότος ότι μόνο ένας μικρός αριθμός απόμακρων σουπερνόβα τύπου Ια είχε ανακαλυφθεί ή είχαν μετρηθεί οι αποστάσεις τους εκείνη τη στιγμή.
Επιπλέον, η αναζήτηση Dark Matter μετατοπίστηκε λίγο μετά από μεγάλα αντικείμενα σε θεμελιώδη σωματίδια (όπως WIMPs). Ως αποτέλεσμα, τα σχέδια παρακολούθησης που μελετήθηκαν δεν υλοποιήθηκαν. Αλλά χάρη στις παρατηρήσεις του LIGO για τα κύματα βαρύτητας, προέκυψε για άλλη μια φορά η πιθανή σύνδεση μεταξύ μαύρων οπών και σκοτεινής ύλης και ενέπνευσε τους Seljak και Zumalacárregui να πραγματοποιήσουν την ανάλυσή τους.
«Αυτό που ήταν ενδιαφέρον είναι ότι οι μάζες των μαύρων τρυπών στην εκδήλωση LIGO ήταν σωστές όπου οι μαύρες τρύπες δεν είχαν ακόμη αποκλειστεί ως σκοτεινή ύλη», δήλωσε ο Seljak. «Ήταν μια ενδιαφέρουσα σύμπτωση που ενθουσίασε όλους. Αλλά ήταν σύμπτωση ».
Η θεωρία του Dark Matter υιοθετήθηκε επίσημα στη δεκαετία του 1970, κατά τη διάρκεια της «Χρυσής Εποχής της Σχετικότητας», για να εξηγήσει τις αποκλίσεις μεταξύ της φαινομενικής μάζας των αντικειμένων στο Σύμπαν και των παρατηρούμενων βαρυτικών τους επιπτώσεων. Φαίνεται ότι μισό αιώνα αργότερα, προσπαθούμε ακόμα να εντοπίσουμε αυτήν τη μυστηριώδη, αόρατη μάζα. Αλλά με κάθε μελέτη, επιβάλλονται πρόσθετοι περιορισμοί στο Dark Matter και εξαλείφονται οι πιθανοί υποψήφιοι.
Δεδομένου του χρόνου, θα μπορούσαμε απλώς να ξεκλειδώσουμε αυτό το κοσμολογικό μυστήριο και να είμαστε ένα βήμα πιο κοντά στην κατανόηση του πώς σχηματίστηκε και εξελίχθηκε το Σύμπαν.
