Este oare materia întunecată aşa cum şi-o imaginează majoritatea oamenilor de ştiinţă? Astronomul britanic Mike Hawkins crede că nu. Masa lipsă a Universului ar putea fi blocată în legiuni de găuri negre minuscule, susţine el într-o nouă teorie.
Majoritatea materiei din univers nu emite lumină, sau, cel puţin, emite atât de putină încât la acest moment nu este detectabilă. Cu toate acestea, ştim că este acolo, deoarece gravitaţia sa menţine stelele şi galaxiile pe orbitele lor. Cam toată lumea consideră că această aşa-numită materie întunecată este alcătuită din particule subatomice nedescoperite până în prezent. Fizicienii speră că vor găsi un candidat în ciocnirile de mare viteză efectuate prin intermediul LHC, la CERN, lângă Geneva, Elveţia.
Este totuşi posibil să fi privit materia întunecată într-un mod complet greşit? Aşa consideră Mike Hawkins. Acesta crede că ceea ce noi numim materie întunecată nu este formată din particule, ci reprezintă o multitudine de găuri negre apărute la scurt timp după Big Bang.
Este o teorie controversată. Dar Hawkins, astronom la Observatorul Regal din Edinburgh, Regatul Unit al Marii Britanii, consideră că are dovezi convingătoare adunate de-a lungul anilor de observaţii. În cazul în care are dreptate, viziunea noastră despre cosmos se va schimba radical. „Trăim într-un univers dominat de găuri negre,” a declarat el.
Povestea începe în 1975, când Hawkins a început să monitorizeze o parte a cerului austral, noapte după noapte, folosind Telescopul Schmidt al Marii Britanii la Siding Springs, Australia. După cinci ani, pe lângă stelele pe care le căuta, a mai descoperit şi ceva neaşteptat: mii de obiecte ce îşi schimbau luminozitatea extrem de lent. S-au dovedit a fi quasari, nucleele foarte strălucitoare ale nou-formatelor galaxii de la marginea Universului.
Dar Hawkins a fost pus în încurcătură. Quasarii sunt alimentaţi de materie ce luminează puternic în timp ce se roteşte, atrasă gravitaţional, către o gaură neagră ce are de obicei de miliarde de ori masa Soarelui. Lumina acestora variază, spre exemplu atunci când stelele sunt sfâşiate de gravitaţia enormă a găurii negre. Doar că aceste izbucniri fac quasarii să se „aprindă” şi apoi să îşi piardă din luminozitate într-un interval de câteva zile, nu ani şi decenii, cum descoperise Hawkins.
S-a întrebat dacă variaţia se datorează faptului că dacă un corp masiv se deplasează între noi şi un quasar, gravitaţia sa devia lumina provenind de la acesta, mărind imaginea recepţionată pe Terra. Poate că tocmai acest fenomen era responsabil pentru variaţia de luminozitate, mai degrabă decât să fie vorba de ceva caracteristic în mod intrinsec quasarului. Dar era asta suficient pentru a explica variaţiile cu o perioadă de un deceniu observate de Hawkins?
Calcule sale au arătat că ar fi putut fi aşa, cu condiţia ca acele corpuri ce treceau prin faţa quasarului să aibă o masă aproximativ egală cu a Soarelui. Ce ar fi putut oare să fie aceste corpuri masive ce produceau acest efect?
Răspunsul evident ar fi stelele. Dar acestea sunt eliminate pe baza unui temei solid şi riguros, ce datează încă de la primele câteva minute de după Big Bang. Universul este aşa cum îl vedem în prezent deoarece începând de atunci a avut în compoziţia sa o anumită proporţie de fotoni raportat la numărul de protoni şi neutroni, denumiţi colectiv barioni.
Cunoaştem acest raport prin intermediul radiaţiei cosmice de fond rămasă după Big Bang. S-a dovedit că în Univers pot exista cel mult de două ori mai mulţi barioni decât cei pe care îi vedem în componenţa stelelor şi galaxiilor. Ceea ce reprezintă o problemă când vine vorba de fenomenul descris anterior (de micro-lentilă gravitaţională), deoarece pentru a genera efectul respectiv în cazul fiecărui quasar, cum este şi cazul în realitate, ar însemna ca acele obiecte responsabile cu devierea luminii să aibă mase care însumate depăşesc cu foarte mult dublul masei numărului de barioni pe care-l vedem în Univers. „Pur şi simplu nu există suficientă materie barionică pentru ca acele „lentile” să fie stele obişnuite,” spune Hawkins. „Trebuie să fie vorba de materie întunecată.”
Acest raţionament elimină mulţi alţi posibili candidaţi ce aparţin unei familii numite MACHO sau obiecte astrofizice compacte masive de tip halo. MACHO este un termen generic folosit pentru orice obiect întunecat ce ar putea justifica parte din materia neagră, vorbind aici şi de stelele neutronice, găurile negre şi stelele atât de mici încât emit puţină lumină sau deloc.
Dar dacă tot ce este alcătuit din materie obişnuită este eliminat, lui Hawkins îi rămâne un singur candidat: mici găuri negre cântărind aproximativ masa Soarelui şi nu mult mai mari decât un sat. Stephen Hawking şi alţii, au spus că acestea s-ar fi putut format spontan când Universul avea vârsta egală cu aproximativ a suta parte dintr-o miime de secundă.
Calitatea stelelor
La acest moment, quarcurile (una din unităţile structurale fundamentale ale materiei), ce au fost iniţial liberi, sunt condensaţi, ca picăturile de apă din abur. „Picăturile” reprezintă în acest caz protoni, neutroni şi o multitudine de alte particule subatomice ce pot fi create în prezent doar prin coliziunea între particule cu energie înaltă.
Se presupune că procesul ar fi condus la apariţia de regiuni izolate foarte dense de particule ce s-au micşorat din cauza gravitaţiei proprii, dând naştere găurilor negre primordiale. „Masa caracteristică a unor asemenea găuri este aproximativ egală cu masa unei stele,” declară Hawkins. „Ceea ce le face candidaţii perfecţi.”
Lui Hawkins nu i-a fost uşor să îi convingă pe ceilalţi astronomi. Deşi nimeni nu ştie din ce este formată materia întunecată, majoritatea cercetătorilor înclină spre particule numite neutralino, ce se deosebesc de materia barionică obişnuită. Un motiv ar fi că cele mai promiţătoare teorii din fizica particulelor indică faptul că aceşti neutralino reprezintă materia întunecată. Altul constă în faptul că putem spune că în mare măsură, gama largă de căutări a obiectelor de tip MACHO puse în practică nu au scos nimic la iveală.
Pe durata a şapte ani, o echipă internaţională denumită Colaborarea Macho a monitorizat 3 milioane de stele din galaxiile satelit ale Căii Lactee, Norii Magelanici Mic şi Mare, pentru a căuta semne de corpuri MACHO. Logica era una simplă. Se crede că materia întunecată din galaxia noastră există sub forma unui halo sferic vast. Dacă respectivul halo este alcătuit din obiecte MACHO, atunci unul dintre acestea va trece din când în când prin faţa uneia dintre stelele aparţinând galaxiilor satelit, cauzând devierea luminii acesteia prin intermediul efectului de microlentilă gravitaţională.
Rezultatele nu au fost promiţătoare în ceea ce priveşte găurile negre. Echipa a observat doar 17 fenomene şi a concluzionat că obiectele MACHO – oricare ar fi acestea – reprezintă sub 20% din masa haloului (mic inel de lumină ce apare uneori în jurul corpurilor cereşti - n.tr.). Cercetări ulterioare au raportat un procent chiar mai mic. Hawkins consideră totuşi că rezultatele au fost interpretate greşit şi că fenomenele corespund unui halo compus în întregime din obiecte MACHO. „Există multe incertitudini în astfel de proiecte, inclusiv structura haloului şi eficienţa mecanismului de detecţie,” spune el.
El vorbeşte şi despre câteva serii de dovezi ce susţin teoria găurilor negre primordiale. Pentru început, cu toţii sunt de acord că lumina quasarilor variază în mod clar pe perioada a mulţi ani. Uneori, lumina provenind de la un quasar este deviată din cauza unei galaxii masive, aceasta putând devia lumina de-a lungul mai multor traiectorii, dând naştere la imagini multiple ale quasarului. Dacă variaţia de lumină este intrinsecă quasarului, orice schimbare a uneia dintre imagini ar trebui să fie însoţită de modificări identice ale celorlalte.
Deşi aceasta se întâmplă uneori, imaginile variază cel mai adesea în mod independent. „Acest lucru poate fi explicat doar prin fenomenul de microlentilă gravitaţională,” spune Hawkins, descriind cum o gaură neagră primordială poate interveni în calea luminii ce formează o imagine, dar nu şi în calea celorlalte.
O a doua serie de dovezi are legătură cu scala temporală la care are loc variaţia de luminozitate. Dacă aceasta este o caracteristică intrinsecă a quasarului, atunci luminozitatea quasarilor mai îndepărtaţi ar trebui să varieze pe perioade mai lungi decât a celor mai apropiaţi. Asta deoarece lucrurile se petrec mai încet în cazul obiectelor îndepărtate, un efect numit dilatarea timpului.
Dar conform analizei lui Hawkins, nu există nicio diferenţă în variabilitate între quasarii mai îndepărtaţi şi cei mai apropiaţi. „Observaţia e compatibilă cu variaţia cauzată de fenomenul de microlentilă gravitaţională,” declară el, „şi incompatibilă cu orice formă intrinsecă de variaţie.”
Bernard Carr de la Universitatea din Londra împărtăşeşte entuziasmul lui Hawkins pentru găurile negre primordiale. „Consider că rezultatele obţinute de el merită luate în considerare,” declară acesta.
Totuşi, oricâte dovezi ar prezenta Hawkins, există o problemă. Quasarii sunt entităţi complexe, iar limitările care există în ceea ce priveşte înţelegerea lor lasă loc pentru multe teorii alternative. Spre exemplu, anumiţi oamenii de ştiinţă au sugerat că variabilitatea caracteristică lor s-ar putea datora schimbării ratei de pătrundere a materiei în gaura neagră. „Este dificil de contracarat un astfel de argument ce nu poate fi dovedit ca fiind fals,” spune Hawkins.
Ipoteza lui Hawkins, pe de altă parte, poate fi dovedită ca şi falsă. Dacă unul dintre multele experimente ce caută particule de materie întunecată descoperă asemenea particule, atunci teoria găurilor negre primordiale va cădea. Până în prezent au fost anunţate câteva observaţii interesante în acest sens. Cea mai veche este a cercetătorilor care au lucrat la experimentul DAMA, în laboratorul subteran din Gran Sasso, Italia. În 2000, aceştia au susţinut că au descoperit dovezi ale existenţei particulelor de materie întunecate ajunse pe Terra. O variantă îmbunătăţită a experimentului acestora continuă, pentru a produce astfel de dovezi. Un al doilea experiment, numit CoGeNT, se desfăşoară adânc în mina Soudan, Minnestora, unde se susţine că ar fi fost observat acelaşi efect (New Scientist, 7 mai, p. 16).
Totuşi, ambele rezultate sunt controversate, mai ales că în cazul altor câtorva experimente similare nu s-a detectat nimic. „Dacă acest lucru se dovedeşte a fi adevărat, atunci eu mă înşel, într-adevăr, iar materia întunecată este alcătuită din particule,” admite Hawkins.
Ceea ce îi trebuie lui Hawkins neapărat este o observaţie-bombă, lucru care nu se va dovedi prea uşor. Dacă haloul este alcătuit din găuri negre primordiale, atunci va fi vorba de trilioane de asemenea găuri negre, depăşind numeric de departe stelele din galaxie. Dar vor fi la cel puţin 40 de ani-lumină distanţă una de alta – de zece ori distanţa dintre Soare şi cel mai apropiat vecin al său, Alpha Centauri. Dacă adăugăm acest aspect la dimensiunile lor reduse – mai puţin de 3 kilometri de la un cap la altul – vom constata că localizarea unui halo de găuri negre este o provocare chiar mai dificilă decât găsirea proverbialului ac din carul cu fân.
Cea mai bună cale de a găsi găuri negre, deşi indirectă, este tot un studiu pe tema fenomenului de microlentilă gravitaţională. „Tragedia Colaborării Macho este că i s-a pus capăt prea repede,” susţine Hawkins. „Trebuie neapărat să reîncepem căutările.”
Dacă are dreptate şi găurile negre cu masă stelară reprezintă materia întunecată din Univers, nu este neapărat ca acestea să se fi format la începuturile universului. Carr şi colegul său Alan Colei de la Universitatea Dalhousie din Halifax, Noua Scoţie, Canada, au examinat unele modele care iau în calcul pentru Universul nostru o serie de big banguri şi big crunchuri (big crunch reprezintă marea implozie, în care expansiunea universului este un proces reversibil, Universul colapsând total, transformându-se într-o singularitate de tipul unei găuri negre – n.tr.). Într-un asemenea univers, găurile negre apărute într-un moment anterior ar fi putut rezista acestei serii de big banguri şi big crunchuri, existând încă şi în prezent (arxiv.org/abs/1104.3796). „Găurile negre macroscopice ce au supravieţuit din ultimul ciclu big bang – big crunch al Universului nu ar putea fi deosebite prin observaţii experimentale de cele formate în acest ciclu,” declară Carr. „Deci ar putea într-adevăr duce la apariţia efectului de microlentilă gravitaţională la nivelul luminii quasarilor.”
Suspectăm de multă vreme că materia întunecată nu se aseamănă cu nimic din ceea ce am întâlnit pe Pământ. Poate că mare parte din aceasta nu a fost nici măcar creată în Universul nostru.
Bibliografie
"The case for primordial black holes as dark matter" de Michael Hawkins (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol 415, p 2744)
Textul de mai sus reprezintă traducerea şi adaptarea articolului Really dark matter: Is the universe made of holes? publicat de NewScientist. Scientia.ro este singura entitate responsabilă pentru eventuale erori de traducere, Reed Business Information Ltd şi New Scientist neasumându-şi nicio responsabilitate.
Traducerea: Anca Negulescu
