ΠΟΥ ΟΔΗΓΟΥΝ ΟΙ ΜΑΥΡΕΣ ΤΡΥΠΕΣ
ΠΟΥ ΟΔΗΓΟΥΝ ΟΙ ΜΑΥΡΕΣ ΤΡΥΠΕΣ;
των David Crookes και Daisy Dobrijevic
Αν ταξιδεύσετε μέσα από μια μαύρη τρύπα, πού πηγαίνετε;
Ορίστε λοιπόν, έτοιμος να πηδήξετε σε μια μαύρη τρύπα. Τι θα μπορούσε ενδεχομένως να περιμένετε αν - ενάντια σε όλες τις πιθανότητες - επιβιώσετε με κάποιον τρόπο; Πού θα καταλήγατε και ποιες δελεαστικές ιστορίες θα μπορούσατε να διηγηθείτε αν καταφέρνατε να αναρριχηθείτε στον δρόμο της επιστροφής;
Η απλή απάντηση σε όλες αυτές τις ερωτήσεις είναι, όπως εξηγεί ο καθηγητής Richard Massey, “Ποιος ξέρει;” Ως ερευνητής της Βασιλικής Εταιρείας στο Ινστιτούτο Υπολογιστικής Κοσμολογίας στο Πανεπιστήμιο του Ντάραμ, ο Μάσεϊ γνωρίζει πλήρως ότι τα μυστήρια των μαύρων τρυπών είναι βαθιά.
«Το να πέσεις μέσα από έναν ορίζοντα γεγονότων κυριολεκτικά περνάς πέρα από το πέπλο – αν κάποιοι πέσουν, κανείς δεν θα μπορούσε ποτέ να στείλει ένα μήνυμα πίσω», είπε. «Θα είχαν γίνει κομμάτια από την τεράστια βαρύτητα, οπότε αμφιβάλλω ότι κάποιος που θα έπεφτε μέσα, θα έφτανε κάπου».
Αν αυτό ακούγεται σαν μια απογοητευτική - και επώδυνη - απάντηση, τότε είναι αναμενόμενη. Από τότε που η γενική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν θεωρήθηκε ότι είχε προβλέψει τις μαύρες τρύπες συνδέοντας τον χωροχρόνο με τη δράση της βαρύτητας, είναι γνωστό ότι οι μαύρες τρύπες προκύπτουν από τον θάνατο ενός τεράστιου άστρου που αφήνει πίσω του έναν μικρό, πυκνό πυρήνα. Υποθέτοντας ότι αυτός ο πυρήνας έχει πάνω από τρεις φορές τη μάζα του Ήλιου, η βαρύτητα θα τον κατακλύσει σε τέτοιον βαθμό ώστε θα κατακρημνιζόταν στον εαυτό του, σε ένα μόνο σημείο, ή μοναδικότητα, που θεωρείται ότι είναι ο απείρως πυκνός πυρήνας της μαύρης τρύπας.
Η προκύπτουσα ακατοίκητη μαύρη τρύπα θα είχε τόσο ισχυρή βαρυτική έλξη που ούτε το φως θα μπορούσε να την αποφύγει. Επομένως, εάν βρεθείτε στον ορίζοντα γεγονότων - το σημείο στο οποίο το φως και η ύλη μπορούν να περάσουν μόνο προς τα μέσα, όπως προτείνει ο Γερμανός αστρονόμος Karl Schwarzschild - δεν υπάρχει διαφυγή. Σύμφωνα με τον Massey, οι παλιρροϊκές δυνάμεις θα μετέτρεπαν το σώμα σας σε κλώνους ατόμων (ή «σπαγγετοποίηση», όπως είναι επίσης γνωστό) και το αντικείμενο θα κατέληγε τελικά να συνθλιβεί στη μοναδικότητα. Η ιδέα ότι θα μπορούσατε να ξεφύγετε κάπου - ίσως στην άλλη πλευρά - φαίνεται εντελώς φανταστική.
Τι γίνεται με τις σκουληκότρυπες;
Με τα χρόνια οι επιστήμονες εξέτασαν την πιθανότητα οι μαύρες τρύπες να είναι σκουληκότρυπες για άλλους γαλαξίες. Μπορεί ακόμη και να είναι, όπως έχουν προτείνει κάποιοι, ένα μονοπάτι προς ένα άλλο σύμπαν.
Μια τέτοια ιδέα κυκλοφορεί εδώ και αρκετό καιρό: ο Αϊνστάιν συνεργάστηκε με τον Νέιθαν Ρόζεν για να θεωρητικοποιήσει γέφυρες που συνδέουν δύο διαφορετικά σημεία στον χωροχρόνο το 1935. Αλλά κέρδισε κάποιο νέο έδαφος τη δεκαετία του 1980 όταν ο φυσικός Kip Thorne — ένας από τους κορυφαίους ειδικούς σχετικά με τις αστροφυσικές επιπτώσεις της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν — έθεσαν μια συζήτηση σχετικά με το αν τα αντικείμενα θα μπορούσαν φυσικά να ταξιδέψουν μέσα από αυτές.
«Η ανάγνωση του δημοφιλούς βιβλίου του Kip Thorne για τις σκουληκότρυπες είναι αυτό που με ενθουσίασε για πρώτη φορά με την φυσική ως παιδί», είπε ο Massey. Αλλά δεν φαίνεται πιθανό να υπάρχουν σκουληκότρυπες.
Πράγματι, ο Thorne, ο οποίος έδωσε τη συμβουλή του ειδικού στην ομάδα παραγωγής της ταινίας του Χόλιγουντ Interstellar, έγραψε: «Δεν βλέπουμε αντικείμενα στο σύμπαν μας που θα μπορούσαν να γίνουν σκουληκότρυπες καθώς γερνούν», στο βιβλίο του The Science of Interstellar (W.W. Norton and Company, 2014). Ο Thorne είπε στο Space.com ότι τα ταξίδια μέσα από αυτές τις θεωρητικές σήραγγες πιθανότατα θα παρέμεναν επιστημονική φαντασία και σίγουρα δεν υπάρχει καμία σταθερή απόδειξη ότι μια μαύρη τρύπα θα μπορούσε να επιτρέψει ένα τέτοιο πέρασμα.
Όμως, το πρόβλημα είναι ότι δεν μπορούμε να πάμε αρκετά κοντά για να το δούμε μόνοι μας. Γιατί, δεν μπορούμε καν να τραβήξουμε φωτογραφίες από οτιδήποτε συμβαίνει μέσα σε μια μαύρη τρύπα - εάν το φως δεν μπορεί να ξεφύγει από την τεράστια βαρύτητα της, τότε τίποτα δεν μπορεί να ‘τραβήξει’ μια κάμερα. Ως έχει, η θεωρία προτείνει πως οτιδήποτε υπερβαίνει τον ορίζοντα γεγονότων προστίθεται απλώς στη μαύρη τρύπα και, επιπλέον, επειδή ο χρόνος παραμορφώνεται κοντά σε αυτό το όριο, αυτό θα φαίνεται να λαμβάνει χώρα απίστευτα αργά, επομένως οι απαντήσεις δεν θα έρθουν γρήγορα.
«Νομίζω ότι η στάνταρ ιστορία είναι ότι οδηγούν στο τέλος του χρόνου», είπε ο Douglas Finkbeiner, καθηγητής αστρονομίας και φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. "Ένας παρατηρητής μακριά δεν θα δει τον φίλο του αστροναύτη να πέφτει στη μαύρη τρύπα. Απλώς θα γίνουν πιο κόκκινοι και πιο αμυδροί καθώς πλησιάζουν στον ορίζοντα γεγονότων [ως αποτέλεσμα της βαρυτικής μετατόπισης του κόκκινου]. Αλλά ο φίλος πέφτει ακριβώς μέσα, σε θέση πέρα από το 'για πάντα'. Ό,τι και αν σημαίνει αυτό."
Καλλιτεχνική απεικόνιση μιας σκουληκότρυπας. Εάν υπάρχουν σκουληκότρυπες, μπορεί να οδηγήσουν σε ένα άλλο σύμπαν. Ωστόσο, δεν υπάρχει καμία απόδειξη ότι οι σκουληκότρυπες είναι πραγματικές ή ότι μια μαύρη τρύπα θα λειτουργούσε έτσι.
Ίσως μια μαύρη τρύπα οδηγεί σε μια λευκή τρύπα
Σίγουρα, αν οι μαύρες τρύπες οδηγούν σε άλλο μέρος ενός γαλαξία ή ενός άλλου σύμπαντος, θα έπρεπε να υπάρχει κάτι αντίθετο από αυτές στην άλλη πλευρά. Θα μπορούσε αυτό να είναι μια λευκή τρύπα - μια θεωρία που προτάθηκε από τον Ρώσο κοσμολόγο Igor Novikov το 1964. Ο Novikov πρότεινε ότι μια μαύρη τρύπα συνδέεται με μια λευκή τρύπα που υπήρχε στο παρελθόν. Σε αντίθεση με μια μαύρη τρύπα, μια λευκή τρύπα θα επιτρέπει στο φως και στην ύλη να εξέλθουν, αλλά το φως και η ύλη δεν θα μπορούν να εισέλθουν.
Οι επιστήμονες συνέχισαν να διερευνούν την πιθανή σύνδεση μεταξύ μαύρων και λευκών τρυπών. Στη μελέτη τους του 2014 που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Physical Review D, οι φυσικοί Carlo Rovelli και Hal M. Haggard ισχυρίστηκαν ότι «υπάρχει ένας κλασικός χωρο-καμβάς που ικανοποιεί τις εξισώσεις του Αϊνστάιν έξω από μια πεπερασμένη χωροχρονική επικράτεια όπου η ύλη καταρρέει σε μια μαύρη τρύπα και στη συνέχεια αναδύεται από λευκή τρύπα». Με άλλα λόγια, όλο το υλικό που έχουν καταπιεί οι μαύρες τρύπες θα μπορούσε να εκτοξευθεί έξω και οι μαύρες τρύπες μπορεί να γίνουν λευκές τρύπες όταν πεθάνουν.
Η κατάρρευση μιας μαύρης τρύπας όχι μόνο δεν θα κατέστρεφε τις πληροφορίες που απορροφά. Αντίθετα, θα έκανε ένα κβαντικό άλμα, επιτρέποντας στις πληροφορίες να διαφύγουν. Σε αυτήν την περίπτωση θα έριχνε λίγο φως σε μια πρόταση του πρώην κοσμολόγου και θεωρητικού φυσικού του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ, Στίβεν Χόκινγκ, ο οποίος, τη δεκαετία του 1970, διερεύνησε την πιθανότητα οι μαύρες τρύπες να εκπέμπουν σωματίδια και ακτινοβολία - θερμική θερμότητα - ως αποτέλεσμα κβαντικών διακυμάνσεων.
«Ο Χόκινγκ είπε ότι μια μαύρη τρύπα δεν διαρκεί για πάντα», είπε ο Φινκμπάινερ. Ο Χόκινγκ υπολόγισε ότι η ακτινοβολία θα ανάγκαζε μια μαύρη τρύπα να χάσει ενέργεια, να συρρικνωθεί και να εξαφανιστεί, όπως περιγράφεται σε ένα από τα άρθρα του στο Physical Review D. Δεδομένων των ισχυρισμών του ότι η εκπεμπόμενη ακτινοβολία θα ήταν τυχαία και δεν θα περιέχει πληροφορίες για το τι είχε πέσει μέσα, η μαύρη τρύπα, κατά την έκρηξή της, θα διέγραφε πολλές πληροφορίες.
Αυτό σήμαινε ότι η ιδέα του Χόκινγκ ήταν σε αντίθεση με την κβαντική θεωρία, η οποία λέει ότι οι πληροφορίες δεν μπορούν να καταστραφούν. Η φυσική δηλώνει ότι οι πληροφορίες γίνονται πιο δύσκολο να βρεθούν. Έτσι, αν χαθούν, είναι αδύνατο να γνωρίζουμε το παρελθόν ή το μέλλον. Η ιδέα του Χόκινγκ οδήγησε στο «παράδοξο της πληροφορίας της μαύρης τρύπας» και έχει προβληματίσει εδώ και καιρό τους επιστήμονες. Μερικοί είπαν ότι ο Χόκινγκ έκανε απλώς λάθος και ο ίδιος δήλωσε ότι είχε κάνει λάθος κατά τη διάρκεια ενός επιστημονικού συνεδρίου στο Δουβλίνο το 2004.
Λοιπόν, επιστρέφουμε στην έννοια των μαύρων τρυπών που εκπέμπουν διατηρημένες πληροφορίες, και τις πετούν άραγε πίσω μέσω μιας λευκής τρύπας; Ίσως. Στη μελέτη τους που δημοσιεύτηκε το 2013, ο Jorge Pullin στο State University της Λουιζιάνα και ο Rodolfo Gambini στο University of Republic στο Μοντεβιδέο της Ουρουγουάης, εφάρμοσαν κβαντική βαρύτητα βρόχου σε μια μαύρη τρύπα και διαπίστωσαν ότι η βαρύτητα αυξήθηκε μεν προς τον πυρήνα, αλλά μείωσε και πέταξε ό,τι εισερχόταν σε μια άλλη περιοχή του σύμπαντος. Τα αποτελέσματα έδωσαν επιπλέον αξιοπιστία στην ιδέα ότι οι μαύρες τρύπες χρησιμεύουν ως πύλη. Σε αυτήν τη μελέτη, η μοναδικότητα δεν υπάρχει και επομένως δεν σχηματίζει ένα αδιαπέραστο φράγμα που καταλήγει να συνθλίβει ό,τι συναντά. Σημαίνει επίσης ότι οι πληροφορίες δεν εξαφανίζονται.
Ίσως οι μαύρες τρύπες να μην πηγαίνουν πουθενά
Ωστόσο, οι φυσικοί Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski και James Sully εξακολουθούσαν να πιστεύουν ότι ο Χόκινγκ θα μπορούσε να είχε ‘μυριστεί’ κάτι. Εργάστηκαν σε μια θεωρία που έγινε γνωστή ως το τείχος προστασίας AMPS, ή η υπόθεση του τείχους προστασίας της μαύρης τρύπας. Με τους υπολογισμούς τους, η κβαντομηχανική θα μπορούσε πρακτικά να μετατρέψει τον ορίζοντα γεγονότων σε ένα γιγάντιο τείχος φωτιάς και οτιδήποτε ερχόταν σε επαφή θα καιγόταν σε μια στιγμή. Υπό αυτήν την έννοια οι μαύρες τρύπες δεν οδηγούν πουθενά, γιατί τίποτε δεν θα μπορούσε ποτέ να μπει μέσα.
Αυτό, ωστόσο, παραβιάζει τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Κάποιος που διασχίζει τον ορίζοντα γεγονότων δεν θα πρέπει στην πραγματικότητα να αισθάνεται μεγάλη δυσκολία επειδή ένα αντικείμενο θα βρισκόταν σε ελεύθερη πτώση και, με βάση την αρχή της ισοδυναμίας, αυτό το αντικείμενο - ή το άτομο - δεν θα αισθανόταν τις ακραίες επιπτώσεις της βαρύτητας. Θα μπορούσε να ακολουθήσει τους νόμους της φυσικής που υπάρχουν αλλού στο σύμπαν. Αλλά ακόμα κι αν δεν αντίκειται στην αρχή του Αϊνστάιν, θα υπονόμευε τη θεωρία του κβαντικού πεδίου ή θα υπονοούσε ότι μπορεί να χαθούν πληροφορίες.
Καλλιτεχνική απεικόνιση ενός γεγονότος παλιρροϊκής διαταραχής που συμβαίνει όταν ένα αστέρι περνά πολύ κοντά από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα. (Εικόνα: περιοδικό All About Space)
Μαύρη τρύπα της αβεβαιότητας
Ένα βήμα μπροστά ο Χόκινγκ για άλλη μια φορά. Το 2014, δημοσίευσε μια μελέτη στην οποία απέφευγε την ύπαρξη ενός ορίζοντα γεγονότων - που σημαίνει ότι δεν υπάρχει τίποτα εκεί για να καεί - λέγοντας ότι η βαρυτική κατάρρευση θα παρήγαγε έναν 'φαινομενικό ορίζοντα'.
Αυτός ο ορίζοντας θα ανέστελε τις ακτίνες φωτός που προσπαθούσαν να απομακρυνθούν από τον πυρήνα της μαύρης τρύπας και θα παρέμενε για μια 'χρονική περίοδο'. Στην επανεξέτασή του αυτή, οι φαινομενικοί ορίζοντες διατηρούν προσωρινά την ύλη και την ενέργεια πριν τις διαλύσουν και τις απελευθερώσουν αργότερα στην πορεία. Αυτή η εξήγηση ταιριάζει καλύτερα με την κβαντική θεωρία - η οποία λέει ότι οι πληροφορίες δεν μπορούν να καταστραφούν - και, αν αποδειχτεί κάποτε, υποδηλώνει ότι οτιδήποτε θα μπορούσε να ξεφύγει από μια μαύρη τρύπα.
Ο Χόκινγκ έφτασε στο σημείο να πει ότι μαύρες τρύπες μπορεί να μην υπάρχουν καν. «Οι μαύρες τρύπες θα πρέπει να επαναπροσδιοριστούν ως μετασταθερές δεσμευμένες καταστάσεις του βαρυτικού πεδίου», έγραψε. Δεν θα υπήρχε μοναδικότητα, και ενώ το φαινομενικό πεδίο θα κινούνταν προς τα μέσα λόγω της βαρύτητας, δεν θα έφτανε ποτέ στο κέντρο και να παγιωνόταν μέσα σε μια πυκνή μάζα.
Και όμως οτιδήποτε εκπέμπεται δεν θα έχει τη μορφή της πληροφορίας που καταπίνεται. Θα ήταν αδύνατο να καταλάβουμε τι μπήκε βλέποντας αυτό που βγαίνει, το οποίο προκαλεί από μόνο του προβλήματα — όχι μόνο, για παράδειγμα, για έναν άνθρωπο που βρέθηκε σε μια τόσο ανησυχητική θέση. Δεν θα ένιωθε ποτέ ξανά το ίδιο!
Ένα είναι σίγουρο, ότι το συγκεκριμένο μυστήριο πρόκειται να καταπιεί πολλές ακόμη επιστημονικές ώρες εργασίας για πολύ καιρό ακόμα. Ο Rovelli και η Francesca Vidotto πρότειναν πρόσφατα ότι ένα συστατικό της σκοτεινής ύλης θα μπορούσε να σχηματιστεί από υπολείμματα μαύρων τρυπών που έχουν εξατμιστεί και η μελέτη του Hawking για τις μαύρες τρύπες και 'μαλακά μαλλιά' κυκλοφόρησε το 2018, και περιγράφει πώς σωματίδια μηδενικής ενέργειας παραμένουν γύρω από το σημείο χωρίς επιστροφή, ο ορίζοντας γεγονότων — μια ιδέα που υποδηλώνει ότι οι πληροφορίες δεν χάνονται αλλά εγκλωβίζεται.
Αυτό ήταν αντίθετο με το θεώρημα 'χωρίς μαλλιά' που εκφράστηκε από τον φυσικό John Archibald Wheeler και λειτούργησε με βάση ότι δύο μαύρες τρύπες δεν θα μπορούσαν να διακριθούν από έναν παρατηρητή επειδή κανένα από τα ειδικά ψευδο-φορτία της φυσικής σωματιδίων δεν θα διατηρούνταν. Είναι μια ιδέα που έχει κάνει τους επιστήμονες να συζητούν, αλλά υπάρχει αρκετός δρόμος για να φανεί ως απάντηση για το πού οδηγούν οι μαύρες τρύπες. Αν μπορούσαμε να βρούμε έναν τρόπο να πηδήξουμε σε μια!
Μπορείτε να μάθετε περισσότερα για τις μαύρες τρύπες με το αναλυτικό άρθρο της NASA και να εξερευνήσετε πώς τραβήχτηκε η πρώτη εικόνα μιας μαύρης τρύπας. Αν ψάχνετε για περιεχόμενο κατάλληλο για παιδιά, η ESA διαθέτει εξαιρετικούς πόρους για να διδάξει στα μικρά παιδιά τα πάντα για τις μαύρες τρύπες και το σύμπαν.
