Μια ομάδα επιστημόνων ανέπτυξε μια θεωρία για τις μαύρες τρύπες που εξαλείφει μια από τις πιο ιδιαίτερες πτυχές της Φυσικής: την κεντρική ιδιομορφία (singularity), το σημείο στο οποίο όλες οι θεωρίες, οι νόμοι και τα μοντέλα μας καταρρέουν.
Για τις μαύρες τρύπες είναι αποδεκτό ότι πρόκειται για μυστήρια και ιδιαίτερα ουράνια σώματα. Το εξωτερικό όριο τους είναι μια μονόδρομη επιφάνεια παγίδευσης του φωτός που ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων, το σημείο στο οποίο η βαρύτητα μιας μαύρης τρύπας είναι τόσο ισχυρή που ούτε το φως δεν μπορεί να διαφύγει. Αυτό σημαίνει ότι καμία πληροφορία δεν μπορεί να διαφύγει από το εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας, οπότε δεν μπορούμε ποτέ να παρατηρήσουμε ή να μετρήσουμε άμεσα τι βρίσκεται στην καρδιά της.
Χρησιμοποιώντας τα μαθηματικά της θεωρίας της βαρύτητας του Αϊνστάιν του 1915, που ονομάζεται γενική σχετικότητα, οι επιστήμονες μπορούν να μοντελοποιήσουν το εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας. Το πρόβλημα είναι ότι, όταν το κάνουν αυτό, η γενική σχετικότητα μας λέει ότι όλες οι μαθηματικές τιμές πηγαίνουν στο άπειρο στο «singularity» (ιδιομορφία) στην καρδιά μιας μαύρης τρύπας.
Αυτή η νέα έρευνα υποδηλώνει ότι οι «συνηθισμένες μαύρες τρύπες» χωρίς κεντρική ιδιομορφία μπορεί να είναι κάτι περισσότερο από όνειρο των αισιόδοξων φυσικών.
Η ιδιομορφία είναι το πιο μυστηριώδες και προβληματικό μέρος μιας μαύρης τρύπας. Είναι το σημείο όπου οι έννοιές μας για τον χώρο και τον χρόνο κυριολεκτικά δεν έχουν πλέον νόημα. Αν οι μαύρες τρύπες δεν έχουν ιδιομορφίες, τότε είναι πολύ πιο συνηθισμένες.
Η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν αναφέρει ότι τα αντικείμενα με μάζα καμπυλώνουν την ίδια την υφή του χωροχρόνου (τις τρεις διαστάσεις του χώρου ενωμένες με τη μία διάσταση του χρόνου) και η βαρύτητα προκύπτει από αυτή την καμπυλότητα. Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα, τόσο πιο ακραία είναι η καμπυλότητα του χωροχρόνου και τόσο ισχυρότερη είναι η επίδραση της βαρύτητας. Όλα αυτά υπολογίζονται με τις εξισώσεις που διέπουν τη γενική σχετικότητα: τις εξισώσεις πεδίου του Αϊνστάιν.
«Ο τρόπος με τον οποίο καμπυλώνεται ο χωροχρόνος καθορίζεται από τις εξισώσεις πεδίου του Αϊνστάιν, οι οποίες αποτελούν τον ακρογωνιαίο λίθο της γενικής σχετικότητας», δήλωσε το μέλος της ομάδας Pablo Antonio Cano Molina-Niñirola, του Ινστιτούτου Επιστημών του Κόσμου του Πανεπιστημίου της Βαρκελώνης (ICCUB) στην Ισπανία. «Οι εξισώσεις αυτές είναι εξαιρετικά επιτυχημένες, καθώς προβλέπουν μια πληθώρα παρατηρήσιμων φαινομένων στο Σύμπαν, από την κίνηση των πλανητών μέχρι την εξέλιξη του σύμπαντος και την ύπαρξη των μαύρων τρυπών. Αλλά προβλέπουν επίσης την ύπαρξη ιδιομορφιών, και αυτό είναι προβληματικό».
Οι μαύρες τρύπες – περιοχές του χωροχρόνου με ακραία καμπυλότητα – προέκυψαν για πρώτη φορά ως έννοια από τις λύσεις των εξισώσεων πεδίου του Αϊνστάιν που πρότεινε ο Γερμανός φυσικός και αστρονόμος Karl Schwartzchild. Οι λύσεις αυτές φτάνουν στο άπειρο στο κέντρο της εν λόγω περιοχής. Στους επιστήμονες δεν αρέσουν τα άπειρα, καθώς υποδηλώνουν την κατάρρευση ή την ατέλεια των μοντέλων τους ή υποδηλώνουν κάτι εντελώς μη φυσικό. Αυτό σημαίνει κάτι πραγματικά ανησυχητικό και ανεπιθύμητο.
Στη γενική σχετικότητα, το εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας είναι σαν ένα Σύμπαν που συστέλλεται, όπου η ιδιομορφία αντιπροσωπεύει τη στιγμή που ο ίδιος ο χώρος καταρρέει.
Ο Molina-Niñirola πρόσθεσε ότι πολλοί φυσικοί πιστεύουν ότι, όταν η βαρύτητα γίνεται εξαιρετικά ισχυρή και ο χωροχρόνος στρεβλώνεται σε μεγάλο βαθμό, η γενική σχετικότητα πρέπει να αντικατασταθεί από μια πιο θεμελιώδη θεωρία. Υποθέτουν ότι αυτή θα είναι μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας που θα οδηγήσει σε μια «θεωρία των πάντων» που θα ενώσει τις μέχρι στιγμής ασύμβατες θεωρίες της γενικής σχετικότητας και της κβαντικής φυσικής.
Η ελπίδα είναι ότι, σε αυτή την ολοκληρωμένη θεωρία, οι ιδιομορφίες των μαύρων οπών θα εξαλειφθούν. Τώρα, η θεωρία μας για τις κανονικές μαύρες τρύπες πηγαίνει ακριβώς προς αυτή την κατεύθυνση, αλλά αντί να χρησιμοποιούμε μια πλήρη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας, χρησιμοποιούμε κάτι που ονομάζεται «αποτελεσματική θεωρία». Πρόκειται για μια κλασική θεωρία της βαρύτητας που υποτίθεται ότι συλλαμβάνει τα αποτελέσματα μιας υποτιθέμενης θεωρίας της κβαντικής βαρύτητας.
Αυτό ισοδυναμεί με την τροποποίηση των εξισώσεων πεδίου του Αϊνστάιν από την ομάδα, έτσι ώστε η βαρύτητα να συμπεριφέρεται διαφορετικά όταν ο χωροχρόνος είναι ιδιαίτερα καμπυλωμένος. Τελικά, αυτό οδηγεί στην αφαίρεση των κεντρικών ιδιομορφιών των μαύρων οπών.
Αυτή η νέα τροποποιημένη θεωρία υποδηλώνει ότι δεν υπάρχει ιδιομορφία στην καρδιά μιας μαύρης τρύπας. Τι υπάρχει λοιπόν σε αυτό το ακραίο, εξωτικό πεδίο;
«Στο μοντέλο μας, η κατάρρευση του χωροχρόνου σταματά και η ιδιομορφία αντικαθίσταται από μια εξαιρετικά στρεβλωμένη στατική περιοχή που βρίσκεται στον πυρήνα της μαύρης τρύπας», δήλωσε ο Molina-Niñirola. «Αυτή η περιοχή είναι στατική επειδή δεν συστέλλεται. Αυτό σημαίνει ότι ένας παρατηρητής θα μπορούσε υποθετικά να παραμείνει εκεί, υποθέτοντας ότι θα ήταν σε θέση να επιβιώσει από τις τεράστιες, αλλά πεπερασμένες, βαρυτικές δυνάμεις σε αυτή την περιοχή».
Εκτός από τον καμπυλωμένο χωροχρόνο, τι άλλο κατοικεί στην καρδιά των μαύρων τρυπών, αν αυτή η θεωρία είναι σωστή; Σύμφωνα με τον Hennigar, αυστηρά μιλώντας, τίποτα.
Αυτές οι μαύρες τρύπες είναι παντού καθαρό κενό, δεν χρειάζεται να υπάρχει ύλη, αλλά μπορεί κανείς εύκολα να την συμπεριλάβει, αν το επιθυμεί. Μπορεί να ακούγεται περίεργο να έχουμε μια μαύρη τρύπα χωρίς ύλη, αλλά το ίδιο πράγμα μπορεί να συμβεί ακόμη και στη γενική σχετικότητα.
Ακόμη και αν επαληθευτεί η ιδέα της ομάδας για τη μαύρη τρύπα, πιθανότατα δεν θα σταματήσει την αναζήτηση ενός έγκυρου μοντέλου κβαντικής βαρύτητας και μιας θεωρίας των πάντων.
Κατά μία έννοια, αυτό είναι ένα πρόβλημα που δεν μπορεί να αποφευχθεί. Τα αστέρια καταρρέουν συνεχώς στο Σύμπαν μας, καθώς πρόκειται για μια αναπόφευκτη φυσική διαδικασία. Αλλά αυτό το συνηθισμένο φαινόμενο είναι κάτι που μας ωθεί πέρα από όλα όσα γνωρίζουμε. Στα τελικά στάδια της κατάρρευσης, λίγο πριν φτάσει κανείς στο singularity (ιδιομορφία) τόσο η βαρύτητα όσο και τα κβαντικά φαινόμενα θα είναι σημαντικά. Γνωρίζουμε λοιπόν ήδη ότι τα συμπεράσματα που θα μπορούσε κανείς να βγάλει μόνο από τη γενική σχετικότητα δεν επαρκούν για να περιγράψουν ένα τόσο ακραίο μέρος/στιγμή.
Αν είναι σωστή, η έρευνα αυτή μπορεί να απομυθοποιήσει κάπως τις μαύρες τρύπες, αλλά ανοίγει πολλά ερωτήματα που θα πρέπει ακόμη να απαντηθούν.
Η εργασία μας δίνει απαντήσεις σε ορισμένα μυστήρια, αλλά ανοίγει άλλα. Για παράδειγμα, σύμφωνα με το μοντέλο μας – και άλλες προτάσεις στην επιστημονική βιβλιογραφία – η ύλη που πέφτει μέσα σε μια κανονική μαύρη τρύπα θα εξέλθει τελικά από τη μαύρη τρύπα μέσω μιας λευκής τρύπας που βρίσκεται σε ένα διαφορετικό Σύμπαν ή σε μια αποσυνδεδεμένη περιοχή του ίδιου Σύμπαντος. Αυτό μοιάζει πολύ εξωτικό, αλλά είναι η μόνη πιθανότητα αν δεν υπάρχουν ιδιομορφίες: ό,τι μπαίνει σε μια μαύρη τρύπα πρέπει τελικά να βγει από αυτήν.
Οι ερευνητές προσθέτουν ότι η διαδικασία αυτή συνεπάγεται τα δικά της προβλήματα, τα οποία πρέπει επίσης να διερευνηθούν για να αξιολογηθεί η ευρωστία της ιδέας της ομάδας.
Το μεγάλο ερώτημα είναι αν οι επιστήμονες θα μπορούσαν ποτέ να βρουν αποδείξεις για αυτή τη θεωρία από πραγματικές παρατηρήσεις των μαύρων τρυπών. Άλλωστε, γνωρίζουμε ότι δεν μπορούμε απλώς να κοιτάξουμε στο εσωτερικό τους.
Είναι δύσκολο να πούμε, αφού τα φαινόμενα που οδηγούν στην επίλυση της ιδιομορφίας μπορεί να γίνουν παρατηρήσιμα μόνο σε καθεστώτα εξαιρετικά ισχυρής βαρύτητας, πιθανώς πολύ ισχυρότερα από αυτά που μπορούμε να ελπίζουμε να παρατηρήσουμε. Ωστόσο, υπάρχουν κάποια πειράματα που μπορούν να μας προσφέρουν κάποιες δυνατότητες.
Ο Molina-Niñirola εξήγησε ότι η παρατήρηση των κυματισμών στο χωροχρόνο που ονομάζονται βαρυτικά κύματα επιτρέπει στους αστρονόμους να παρατηρούν πολύ ισχυρότερα βαρυτικά πεδία από ποτέ άλλοτε. Αυτό δίνει στους επιστήμονες μια μοναδική ευκαιρία να προσπαθήσουν να εντοπίσουν φαινόμενα πέραν της γενικής σχετικότητας, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που μπορεί να οδηγήσουν στην επίλυση της ιδιομορφίας .
Επιπλέον, αν η θεωρία της ομάδας είναι σωστή, θα πρέπει να υπάρχει ένα αποκαλυπτικό αποτύπωμα στο πολύ πρώιμο Σύμπαν, κατά τη διάρκεια της εποχής του κοσμικού πληθωρισμού αμέσως μετά το Big Bang.
Από αυτή την άποψη, η ανίχνευση ενός αρχέγονου, βαρυτικού κυματικού υποβάθρου – το οποίο δεν έχει παρατηρηθεί ακόμη – θα μπορούσε να παράσχει ενδείξεις για πιθανές τροποποιήσεις της βαρύτητας. Τέλος, μια συνέπεια της απουσίας ιδιομορφιών είναι ότι το τελικό προϊόν της εξάτμισης της μαύρης τρύπας μέσω της ακτινοβολίας Hawking θα ήταν μια μικροσκοπική μαύρη τρύπα. Αυτές οι μικροσκοπικές μαύρες τρύπες παρέχουν μια πιθανή υποψήφια Σκοτεινή Ύλη. Έτσι, αν αποδειχθεί ότι η Σκοτεινή Ύλη αποτελείται από μικροσκοπικές μαύρες τρύπες, αυτό θα ήταν μια έμμεση απόδειξη υπέρ της απουσίας ιδιομορφιών.
[via]
