Οι περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να πετάξουν από σύννεφα σωματιδίων σκοτεινής ύλης

Λίγα πράγματα είναι πιο μπερδεμένα από τις μαύρες τρύπες, τα βαρυτικά κύματα και τα σχεδόν χωρίς μάζα υποθετικά σωματίδια που ονομάζονται αξιόνια, τα οποία θα μπορούσαν να είναι η μυστηριώδης σκοτεινή ύλη της οποίας η βαρύτητα συγκρατεί τους γαλαξίες. Τώρα, μια ομάδα θεωρητικών φυσικών έχει συνδέσει και τα τρία μαζί με έναν εκπληκτικό τρόπο. Εάν το αξίον υπάρχει και έχει τη σωστή μάζα, υποστηρίζουν, τότε μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα θα πρέπει να παράγει ένα τεράστιο σύννεφο σωματιδίων, το οποίο με τη σειρά του θα παράγει βαρυτικά κύματα παρόμοια με αυτά που ανακαλύφθηκαν πριν από ένα χρόνο από το βαρυτικό κύμα συμβολόμετρου λέιζερ Παρατηρητήριο (LIGO). Εάν η ιδέα είναι σωστή, το LIGO μπορεί να είναι σε θέση να ανιχνεύσει άξονες, αν και έμμεσα.

«Είναι μια φοβερή ιδέα», λέει η Tracy Slatyer, αστροφυσικός σωματιδίων στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT) στο Κέμπριτζ, η οποία δεν συμμετείχε στην εργασία. «Τα δεδομένα [LIGO] θα είναι εκεί και θα ήταν καταπληκτικό αν βλέπαμε κάτι». Ο Benjamin Safdi, ένας θεωρητικός σωματιδιακός φυσικός στο MIT, είναι επίσης ενθουσιώδης. "Αυτή είναι πραγματικά η καλύτερη ιδέα που έχουμε να αναζητήσουμε σωματίδια σε αυτό το εύρος μάζας", λέει.

Μια μαύρη τρύπα είναι το έντονο βαρυτικό πεδίο που αφήνεται πίσω όταν ένα τεράστιο αστέρι καίγεται και καταρρέει σε ένα σημείο. Μέσα σε μια ορισμένη απόσταση από αυτό το σημείο - το οποίο ορίζει τον "ορίζοντα γεγονότων" της μαύρης τρύπας - η βαρύτητα γίνεται τόσο ισχυρή που ούτε το φως μπορεί να διαφύγει. Τον Σεπτέμβριο του 2015, το LIGO εντόπισε μια έκρηξη κυματισμών στο διάστημα που ονομάζονται βαρυτικά κύματα που προήλθαν από τη συγχώνευση δύο μαύρων τρυπών.

Το άξιον —αν υπάρχει— είναι ένα αφόρτιστο σωματίδιο ίσως ένα δισεκατομμυριοστό τόσο μάζα όσο το ηλεκτρόνιο ή ελαφρύτερο. Ονειρεύτηκε τη δεκαετία του 1970 και βοηθά στην εξήγηση μιας περίεργης μαθηματικής συμμετρίας στη θεωρία των σωματιδίων που ονομάζονται κουάρκ και γκλουόνια που αποτελούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Τα αξιόνια που επιπλέουν μπορεί επίσης να είναι η σκοτεινή ύλη που θεωρείται ότι αποτελεί το 85% της συνολικής ύλης στο σύμπαν. Οι φυσικοί των σωματιδίων αναζητούν αξόνια σε πειράματα που προσπαθούν να τα μετατρέψουν σε φωτόνια χρησιμοποιώντας μαγνητικά πεδία.

Αλλά μπορεί να είναι δυνατό να ανιχνευθούν αξόνια μελετώντας τις μαύρες τρύπες με το LIGO και τους δίδυμους ανιχνευτές του στις πολιτείες Λουιζιάνα και Ουάσιγκτον, υποστηρίζουν η Asimina Arvanitaki και η Masha Baryakhtar, θεωρητικοί στο Perimeter Institute for Theoretical Physics στο Waterloo του Καναδά, και οι συνεργάτες τους. P>

Εάν η μάζα του είναι στο σωστό εύρος, τότε ένας άξονας που έχει κολλήσει σε τροχιά γύρω από μια μαύρη τρύπα θα πρέπει να υπόκειται σε μια διαδικασία που ονομάζεται υπερακτινοβολία που εμφανίζεται σε πολλές περιπτώσεις και προκαλεί τον πολλαπλασιασμό των φωτονίων σε έναν συγκεκριμένο τύπο λέιζερ. Εάν ένα αξόνιο ξεφεύγει κοντά, αλλά δεν διασχίζει, τον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας, τότε η περιστροφή της μαύρης τρύπας θα δώσει στο άξονα μια ώθηση σε ενέργεια. Και επειδή το άξιον είναι ένα κβαντικό σωματίδιο με κάποιες ιδιότητες όπως αυτές του φωτονίου, αυτή η ώθηση θα δημιουργήσει περισσότερα αξιόνια, τα οποία, με τη σειρά τους, θα αλληλεπιδράσουν με τη μαύρη τρύπα με τον ίδιο τρόπο. Η διαδικασία φυγής θα πρέπει επομένως να δημιουργήσει τεράστιο αριθμό σωματιδίων.

Αλλά για να συμβεί αυτό, πρέπει να τηρηθεί μια βασική προϋπόθεση. Ένα κβαντικό σωματίδιο όπως το axion μπορεί επίσης να λειτουργήσει σαν κύμα, με ελαφρύτερα σωματίδια να έχουν μεγαλύτερα μήκη κύματος. Για να ξεκινήσει η υπερακτινοβολία, το μήκος κύματος του άξονα πρέπει να είναι όσο πλάτος η μαύρη τρύπα. Επομένως, η μάζα του άξονα πρέπει να είναι εξαιρετικά ελαφριά:μεταξύ 1/10.000.000 και 1/10.000 το εύρος που ανιχνεύεται στα τρέχοντα εργαστηριακά πειράματα. Τα άξιον δεν θα προέκυπταν απλώς ηθελημένα ή μη, αλλά θα συνωστίζονταν σε τεράστια κβαντικά κύματα όπως τα τροχιακά των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο. Όσο φανταστικό κι αν ακούγεται, η βασική φυσική της υπερακτινοβολίας είναι καλά εδραιωμένη, λέει ο Safdi.

Το νέφος του άξονα μπορεί να αποκαλυφθεί με πολλούς τρόπους, λέει ο Baryakhtar. Το πιο πολλά υποσχόμενο είναι ότι τα άξονα που συγκρούονται στο σύννεφο θα πρέπει να εξαφανιστούν το ένα το άλλο για να παράγουν γκραβιτόνια, τα σωματίδια που πιστεύεται ότι συνθέτουν βαρυτικά κύματα ακριβώς όπως τα φωτόνια αποτελούν το φως. Αναδυόμενα από τακτοποιημένα κβαντικά νέφη, τα γκραβιτόνια θα σχημάτιζαν συνεχή κύματα με συχνότητα που καθορίζεται από τη μάζα του άξονα. Το LIGO θα είναι σε θέση να εντοπίζει χιλιάδες τέτοιες πηγές ετησίως, εκτιμούν ο Baryakhtar και οι συνεργάτες του σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στις 8 Φεβρουαρίου στο Physical Review D —αν και η παρακολούθηση αυτών των συνεχών σημάτων μπορεί να είναι πιο δύσκολη από την ανίχνευση εκρήξεων από συγκρουόμενες μαύρες τρύπες. Ο εντοπισμός πολλαπλών πηγών ίδιας συχνότητας θα ήταν ένα «όπλο καπνίσματος» για τα άξιον, λέει ο Slatyer.

Τα νέφη του άξονα θα μπορούσαν επίσης να παράγουν έμμεσα σήματα. Κατ 'αρχήν, μια μαύρη τρύπα μπορεί να περιστρέφεται με ταχύτητα σχεδόν φωτός. Ωστόσο, η δημιουργία αξόνων θα μείωνε τη γωνιακή ορμή μιας μαύρης τρύπας και θα την επιβράδυνε. Ως αποτέλεσμα, το LIGO θα πρέπει να παρατηρήσει ότι οι περιστροφές των συγκρουόμενων μαύρων τρυπών δεν φτάνουν ποτέ αυτή την τελική ταχύτητα, αλλά ξεπερνούν πολύ κάτω από αυτήν, λέει ο Baryakhtar. Η ανίχνευση αυτού του ορίου στο σπιν θα ήταν δύσκολη, καθώς το LIGO μπορεί να μετρήσει το σπιν μιας συγκρουόμενης μαύρης τρύπας με ακρίβεια μόνο 25%.

Ο Safdi προειδοποιεί ότι η ανάλυση υποθέτει ότι το LIGO θα δει πολλές συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών και θα αποδώσει όπως αναμένεται. Και αν το LIGO δεν δει τα σήματα, δεν θα αποκλείσει τον άξονα, λέει. Ωστόσο, λέει, "Αυτό είναι ίσως το πιο πολλά υποσχόμενο έγγραφο που έχω δει μέχρι στιγμής σχετικά με τη νέα φυσική που μπορεί να ερευνήσουμε με βαρυτικά κύματα."