Αστροφυσική

Καταβροχθίζουν άστρα, τροφοδοτούν εκρήξεις ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας, καταρρακώνουν τη δομή του χωροχρόνου: εύκολα καταλαβαίνουμε ότι πρόκειται για τις γοητευτικές μαύρες τρύπες. Μέσω αυτών μπορούμε να εξηγήσουμε βίαια ουράνια φαινόμενα, κάτι το οποίο αδυνατούμε να κάνουμε με οποιοδήποτε άλλο ουράνιο σώμα. Για την ακρίβεια, είναι τόσο ακραίες, που κανένας τελικά δεν ξέρει τι ακριβώς είναι.

Η πλειονότητα των ερευνητών τις φαντάζεται σαν μικροσκοπικές τρύπες από καρφίτσα στο τεράστιο σεντόνι του χωροχρόνου, κατάλοιπα άστρων τα οποία κατέρρευσαν υπό την επίδραση του δικού τους βάρους. Τα τελευταία δύο χρόνια, όμως, μερικοί ανεξάρτητοι ερευνητές πρότειναν ότι οι μαύρες τρύπες είναι, στην ουσία, εκτεταμένα σώματα αποτελούμενα από ύλη που κατά την κατάρρευση πήγνυται, όπως όταν το νερό μετατρέπεται σε πάγο. Η ιδέα προσφέρει μια προκλητική θέση θεώρησης της κβαντικής βαρύτητας, η οποία αποσκοπεί στο να ενοποιήσει τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν με την κβαντική μηχανική.

Στην εικόνα που προσφέρουν τα εγχειρίδια, αυτή η μικροσκοπική τρύπα (ή χωροχρονική ανωμαλία) περιβάλλεται από έναν ορίζοντα γεγονότων. Ο ορίζοντας δεν συνιστά μια φυσική πραγματική επιφάνεια, απλά μια νοητή, και μολονότι ορίζει τα σημεία από τα οποία δεν υπάρχει επιστροφή για όσα σώματα κατευθύνονται προς την ανωμαλία, η σχετικότητα μας πληροφορεί ότι σε αυτόν δεν συμβαίνει τίποτα το ιδιαίτερο —οι νόμοι της φυσικής είναι οι ίδιοι παντού. Από πλευράς κβαντικής μηχανικής, όμως, ο ορίζοντας γεγονότων είναι κάτι το βαθιά παράδοξο. Αφήνει να χάνεται πληροφορία από τον κόσμο μας, δράση την οποία απαγορεύει η κβαντική θεωρία. «Ό,τι έχετε μάθει στο σχολείο είναι σχεδόν βέβαιο λάθος, διότι ο κλασικός χωρόχρονος γύρω από τις μαύρες τρύπες δεν είναι συμβιβαστός με την κβαντική μηχανική», αναφέρει ο φυσικός George Chapline του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Livermore.

Οι νέες αντιλήψεις για τις μαύρες τρύπες απαλείφουν πλήρως τον ορίζοντα γεγονότων. Η βασική ιδέα έγκειται στο ότι όντως υπάρχει μια δύναμη ικανή να σταματήσει την κατάρρευση ενός άστρου, όταν όλοι οι άλλοι τρόποι έχουν αποτύχει. Αυτή η δύναμη δεν είναι παρά η ίδια η βαρύτητα. Για ύλη με συγκεκριμένες ιδιότητες, η βαρύτητα μεταμορφώνεται από ελκτική σε απωστική δύναμη. Ένα τέτοιου είδους υλικό, γνωστό ως «σκοτεινή ενέργεια», πιστεύεται πως ευθύνεται για την επιταχυνόμενη κοσμική διαστολή.

Πέρυσι, οι φυσικοί Pawel O. Mazur, του Πανεπιστημίου της Νότιας Καρολίνας, και Emil Motola, του Εθνικού Εργαστηρίου του Λος Αλαμος, ανέπτυξαν το επιχείρημα πως ένας θύλακας τέτοιου υλικού πιθανόν να πάγωσε όπως συμβαίνει με τους παγοκρυστάλλους κατά την κατάρρευση ενός άστρου. Το αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας, το οποίο ονομάζουν άστρο βαρυτικού κενού [gravastar: gra(vitational) va(cuum) star] θα έμοιαζε με ένα τηγανισμένο παγωτό: μια κρούστα από πυκνή, μα κατά τα άλλα συνήθη, ύλη να κρατιέται σε ισορροπία από έναν περίεργο εσωτερικό χώρο. Η κρούστα αντικαθιστά αυτό το οποίο θα αποτελούσε τον ορίζοντα γεγονότων.

Μια εναλλακτική πρόταση προχωρεί ακόμη πιο μακριά. Εικάζει πως όχι μόνο θα πάγωνε η σκοτεινή ενέργεια, αλλά και ότι το οικοδόμημα της σχετικότητας θα γκρεμιζόταν πλήρως. Η ιδέα προέρχεται από μια θεωρία-έκπληξη υποψήφια για την κβαντική βαρύτητα, οι υποστηρικτές τής οποίας έχουν εκπλαγεί από την ομοιότητα μεταξύ των βασικών νόμων της φυσικής και της συμπεριφοράς ρευστών και στερεών (γνωστών ως συμπυκνωμένη ύλη). Σε πολλά σημεία, οι εξισώσεις διάδοσης του ήχου διαμέσου ενός ρευστού εν κινήσει θυμίζουν εκπληκτικά τη γενική θεωρία της σχετικότητας —τα ηχητικά κύματα είναι δυνατόν να παγιδευτούν μέσα στο ρευστό σχεδόν όπως το φως παγιδεύεται σε μια μαύρη τρύπα. Ίσως ο χωρόχρονος είναι στην κυριολεξία ένα είδος ρευστού.

Αυτό που κάνει τούτη την προσέγγιση τόσο ενδιαφέρουσα είναι ότι η συμπυκνωμένη ύλη συμπεριφέρεται συλλογικά. Οι λεπτομέρειες των μεμονωμένων μορίων δεν παίζουν σχεδόν κανένα ρόλο —οι ιδιότητες του συστήματος απορρέουν από την επενέργεια της συνάθροισης. Όταν το νερό παγώνει, τα μόρια δεν αλλάζουν, αλλάζει όμως η συλλογική συμπεριφορά, και οι νόμοι των ρευστών δεν ισχύουν πλέον. Υπό τις ενδεδειγμένες συνθήκες, ένα ρευστό μπορεί να μετατραπεί σε υπερρευστό, και να υπόκειται στους νόμους της κβαντικής μηχανικής ακόμα και για μακροσκοπικές κλίμακες. Ο Chapline, μαζί με τους φυσικούς Evan Hohlfeld, Robert B. Laughlin και David I. Santiago, του Πανεπιστημίου Stanford, έχουν προτείνει πως μια παρόμοια διεργασία συμβαίνει και στους ορίζοντες γεγονότων. Οι εξισώσεις της σχετικότητας καταρρέουν, και αναδύονται νέοι νόμοι. «Εάν κάποιος δει το χωρόχρονο ως υπερρευστό, τότε είναι πολύ φυσιολογικό να συμβαίνει κάτι από πλευράς φυσικής στους ορίζοντες γεγονότων —δηλαδή, ο κλασικός ορίζοντας γεγονότων αντικαθίσταται από μια κβαντική μετάβαση φάσης», αναφέρει ο Chapline.

Προς το παρόν, αυτές οι ιδέες είναι κάτι παραπάνω από προχειρογραφήματα, και οι κριτικά σκεπτόμενοι έχουν άπειρες ενστάσεις σχετικά με την ευλογοφάνειά τους. Παραδείγματος χάριν, πώς ακριβώς θα άλλαζε κατάσταση η ύλη ή ο χωρόχρονος κατά την κατάρρευση ενός άστρου; Ο φυσικός Scott A. Hughes, του ΜΙΤ, επισημαίνει: «Δεν βλέπω τον τρόπο με τον οποίο κάτι όπως ένα άστρο μεγάλης μάζας —ένα αντικείμενο αποτελούμενο από κανονικό ρευστό, με αρκετά απλές σχέσεις για την πυκνότητα και την πίεσή του— θα μπορούσε να υποστεί μετάβαση προς ένα αντικείμενο με τόσο παράδοξη δομή όπως αυτή ενός άστρου βαρυτικού κενού». Οι επικρατούσες θεωρίες της κβαντικής βαρύτητας έχουν βελτιωθεί σε πολύ μεγαλύτερο βαθμό. Η θεωρία χορδών, για να αναφέρουμε μία, φαίνεται να εξηγεί τα παράδοξα των μαύρων τρυπών χωρίς να εγκαταλείπει ούτε την έννοια του ορίζοντα γεγονότων ούτε και τη σχετικότητα.

Από παρατηρησιακή πλευρά, οι νέες αντιλήψεις για τις μαύρες τρύπες θα ήταν δύσκολο να διακριθούν από την κλασική εικόνα —όχι όμως και αδύνατο. Τα βαρυτικά κύματα θα έπρεπε να αποκαλύπτουν το σχήμα του χωροχρόνου γύρω από υποτιθέμενες μαύρες τρύπες. Μια κλασική μαύρη τρύπα, όντας ένα απλό αντικείμενο χωρίς πραγματική επιφάνεια, έχει μόνο δύο επιλογές δυνατών σχημάτων. Εάν κάποιο από τα παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων, τα οποία τώρα μπαίνουν σε λειτουργία, βρει ένα διαφορετικό σχήμα, τότε οι τρέχουσες φυσικές θεωρίες θα αποτελέσουν ένα ακόμα στοιχείο του σύμπαντος που θα γίνει κομμάτια από τις μαύρες τρύπες.

Επιστημονικά Νέα - Οκτώβριος, 2003