Κρυφή πέμπτη διάσταση: Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες ίσως αποκαλύψουν το μυστικό του Σύμπαντος

Οι μαύρες τρύπες είναι ήδη μερικά από τα πιο παράξενα αντικείμενα στο Σύμπαν, όμως οι επιστήμονες υποστηρίζουν τώρα ότι θα μπορούσαν να ξεκλειδώσουν ένα ακόμη πιο αλλόκοτο κομμάτι του Κόσμου.

Μια ομάδα κορυφαίων φυσικών εκτιμά ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να κρύβουν το κλειδί για την αποκάλυψη μιας κρυφής πέμπτης διάστασης, πέρα από το υλικό Σύμπαν που γνωρίζουμε.

Πέρα από τις τέσσερις γνωστές διαστάσεις —το ύψος, το πλάτος, το βάθος και τον χρόνο— οι επιστήμονες εξετάζουν το ενδεχόμενο να υπάρχει στο Σύμπαν μας και μια «σκοτεινή διάσταση».

Παρότι αυτό το επιπλέον επίπεδο της πραγματικότητας παραμένει αόρατο για εμάς, οι ερευνητές εκτιμούν ότι μικροσκοπικές μαύρες τρύπες, οι οποίες δημιουργήθηκαν λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, ενδέχεται να μπορούν να φτάσουν σε αυτήν.

Επειδή αυτά τα εξαιρετικά πυκνά κατάλοιπα, γνωστά ως αρχέγονες μαύρες τρύπες, είναι τόσο μικρά, η βαρύτητά τους θα μπορούσε να διαχέεται στην κρυφή διάσταση.

Αυτό σημαίνει ότι η αναζήτηση αρχέγονων μαύρων τρυπών ενδέχεται να αποκαλύψει ορισμένα από τα θεμελιώδη μυστικά του ίδιου του χωροχρόνου.

Ο κόσμος που βλέπουμε και με τον οποίο αλληλεπιδρούμε υπάρχει μέσα στις τέσσερις διαστάσεις του χωροχρόνου. Ωστόσο, ορισμένοι φυσικοί πιστεύουν ότι το Σύμπαν μπορεί να είναι πολύ πιο σύνθετο.

Για να γίνει κατανοητή αυτή η ιδέα, φανταστείτε ότι σχεδιάζετε έναν άνθρωπο πάνω σε ένα κομμάτι χαρτί.

Από την οπτική γωνία της φιγούρας, ολόκληρο το Σύμπαν της περιορίζεται σε τρεις διαστάσεις: το μήκος, το πλάτος και τον χρόνο.

Καθώς δεν μπορεί να αποκολληθεί από την επίπεδη σελίδα και να κοιτάξει γύρω της, δεν έχει τη δυνατότητα να κινηθεί στην επιπλέον διάσταση του ύψους. Έτσι, θα ήταν εξαιρετικά δύσκολο να φανταστεί πώς θα μπορούσε να υπάρχει μια τέτοια διάσταση.

Σύμφωνα με ορισμένες θεωρίες, το δικό μας Σύμπαν μοιάζει με αυτήν την περίπτωση: ένα τετραδιάστατο επίπεδο ενσωματωμένο σε έναν μεγαλύτερο, πενταδιάστατο Κόσμο.

Οι επιστήμονες αποκαλούν το τετραδιάστατο Σύμπαν, στο οποίο περιλαμβάνονται όλα όσα μπορούμε να παρατηρήσουμε, «μεμβράνη» (brane). Το πενταδιάστατο περιβάλλον μέσα στο οποίο αυτή βρίσκεται ονομάζεται «όγκος» (bulk).

Για να γίνει η υπόθεση ακόμη πιο παράξενη, οι επιστήμονες υποστηρίζουν ότι αυτή η επιπλέον διάσταση θα μπορούσε να είναι εξαιρετικά μικρή, με πλάτος μόλις ενός μικρομέτρου, δηλαδή περίπου το ένα δέκατο του μήκους ενός ερυθρού αιμοσφαιρίου.

Δεν υπάρχουν άμεσες αποδείξεις ότι ζούμε σε ένα Σύμπαν με «σκοτεινή διάσταση». Ωστόσο, αρκετές θεωρητικές προσεγγίσεις στη φυσική, που αφορούν τον ηλεκτρομαγνητισμό και τη βαρύτητα, λειτουργούν καλύτερα όταν οι μαθηματικοί υπολογισμοί περιλαμβάνουν μία επιπλέον διάσταση.

Τα πράγματα γίνονται ακόμη πιο περίπλοκα όταν στην εξίσωση προστίθενται μικροσκοπικές αλλά εξαιρετικά ισχυρές πηγές βαρύτητας, όπως οι αρχέγονες μαύρες τρύπες.

Οι συνηθισμένες μαύρες τρύπες σχηματίζονται όταν τεράστια άστρα, με μάζα δεκάδες ή και εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη από εκείνη του Ήλιου, εξαντλούν τα καύσιμά τους και καταρρέουν, αφήνοντας πίσω τους έναν εξαιρετικά πυκνό πυρήνα ύλης.

Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες, από την άλλη πλευρά, δημιουργήθηκαν μέσω μιας εντελώς διαφορετικής διαδικασίας.

Ορισμένοι επιστήμονες θεωρούν ότι σχηματίστηκαν απευθείας από το πυκνό μείγμα ύλης που ψυχόταν ταχύτατα στο Σύμπαν, λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Παρότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες δεν έχουν παρατηρηθεί άμεσα, οι επιστήμονες εκτιμούν ότι ενδέχεται να αποτελούν μέρος της σκοτεινής ύλης, της αόρατης ουσίας που αντιστοιχεί περίπου στο 27% του Σύμπαντος.

Στη νέα μελέτη τους, η οποία δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Physical Review D, ερευνητές από το Lehman College στις ΗΠΑ επιχείρησαν να διαπιστώσουν τι θα συνέβαινε σε αυτές τις μαύρες τρύπες εάν το Σύμπαν διέθετε μια πέμπτη διάσταση.

Συγκεκριμένα, θέλησαν να απαντήσουν στο ερώτημα εάν θα εξελίσσονταν σε τετραδιάστατα ή πενταδιάστατα αντικείμενα.

Για τον σκοπό αυτό, υπολόγισαν το μέγεθος που θα μπορούσαν να αποκτήσουν οι αρχέγονες μαύρες τρύπες, εξετάζοντας δύο διαφορετικές θεωρίες για τον σχηματισμό τους.

Στο πρώτο σενάριο, οι μικροσκοπικές μαύρες τρύπες σχηματίστηκαν από υπερπυκνές περιοχές ύλης στο πρώιμο Σύμπαν, οι οποίες κατέρρευσαν υπό την επίδραση της ίδιας τους της βαρύτητας καθώς ο Κόσμος ψυχόταν.

Σύμφωνα με τους υπολογισμούς των ερευνητών, αυτές οι μαύρες τρύπες αρχικά συμπεριφέρονταν ως τετραδιάστατα αντικείμενα.

Ωστόσο, επειδή θα ήταν τόσο μικρές, η τετραδιάστατη διαμόρφωσή τους θα γινόταν σύντομα ασταθής, με αποτέλεσμα να καταρρεύσουν σε πενταδιάστατα αντικείμενα.

Στο δεύτερο σενάριο, οι αρχέγονες μαύρες τρύπες σχηματίστηκαν από υποθετικές δομές που είναι γνωστές ως κοσμικές χορδές.

Σύμφωνα με ορισμένες θεωρίες, πρόκειται για εξαιρετικά λεπτές, μονοδιάστατες «ουλές» στον ιστό του χωροχρόνου, οι οποίες δημιουργήθηκαν κατά τη γέννηση του Σύμπαντος.

Αυτές οι ατέλειες ενδέχεται να σχηματίστηκαν όταν ο χωροχρόνος υπέστη δραματικές μεταβάσεις φάσης καθώς ψυχόταν, με τρόπο ανάλογο με τις ρωγμές που εμφανίζονται στον πάγο όταν το νερό μετατρέπεται από υγρό σε στερεό.

Εάν σχηματίζονταν βρόχοι κοσμικών χορδών και ενώνονταν, θα μπορούσαν να καταρρεύσουν απευθείας σε μαύρες τρύπες, πολύ πριν προλάβουν να δημιουργηθούν άστρα ή άλλες δομές στο Σύμπαν.

Ωστόσο, οι υπολογισμοί των ερευνητών δείχνουν ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες που σχηματίστηκαν με αυτόν τον τρόπο θα ήταν πενταδιάστατες εξαρχής.

Αυτό σημαίνει ότι, εάν το Σύμπαν μας διαθέτει πράγματι μια σκοτεινή διάσταση, οι αρχέγονες μαύρες τρύπες που ενδεχομένως υπάρχουν είναι τόσο μικρές ώστε θα είναι πάντοτε πενταδιάστατες.

Παρότι το σενάριο ακούγεται εξωπραγματικό και παραμένει σε μεγάλο βαθμό θεωρητικό, θα μπορούσε να έχει παρατηρήσιμες συνέπειες για τη φύση του Σύμπαντος.

Για παράδειγμα, οι ερευνητές επισημαίνουν ότι οι πενταδιάστατες μαύρες τρύπες θα εξατμίζονταν πιο αργά από τις συμβατικές τετραδιάστατες μαύρες τρύπες.

Σύμφωνα με τους υπολογισμούς τους, οι αρχέγονες μαύρες τρύπες που δημιουργήθηκαν από την κατάρρευση κοσμικών χορδών θα μπορούσαν να έχουν διάρκεια ζωής αντίστοιχη με την ηλικία του Σύμπαντος, η οποία υπολογίζεται σε 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια.

Αυτό σημαίνει ότι τέτοιες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να εξακολουθούν να υπάρχουν μέχρι σήμερα, κινούμενες στο Διάστημα πάνω από τα κεφάλια μας, προτού τελικά εξαφανιστούν απελευθερώνοντας σωματίδια.

Οι ερευνητές φτάνουν μάλιστα στο σημείο να προτείνουν ότι αυτή η θεωρία θα μπορούσε να εξηγήσει την προέλευση του λεγόμενου «σωματιδίου-φαντάσματος», το οποίο έπληξε το 2023 τον ανιχνευτή KM3NeT, εγκατεστημένο βαθιά στη Μεσόγειο Θάλασσα.

Εάν μια πενταδιάστατη αρχέγονη μαύρη τρύπα εξατμιζόταν πλήρως, θα μπορούσε να προκαλέσει την απελευθέρωση ενός τόσο ενεργητικού σωματιδίου από μια κατά τα άλλα ήσυχη περιοχή του ουρανού.

Ωστόσο, αυτή η υπόθεση υπερβαίνει κατά πολύ όσα μπορούν να αποδειχθούν σήμερα μέσω άμεσων παρατηρήσεων.

Παρόλα αυτά, προσφέρει μια δελεαστική ένδειξη για όσα θα μπορούσαν να αποκαλύψουν οι μαύρες τρύπες σχετικά με το Σύμπαν μας, εφόσον υπάρχει πράγματι μια σκοτεινή διάσταση που παραμένει κρυμμένη από τα μάτια μας.