Οι μαύρες τρύπες ίσως τελικά έχουν… «μαλλιά»

0ι μαύρες τρύπες αποτελούν αναμφίβολα ένα από τα πιο μυστηριώδη αντικείμενα του Σύμπαντος. Εδώ και πολλές δεκαετίες, οι θεωρητικοί φυσικοί και οι κοσμολόγοι προσπαθούν να περιγράψουν αυτές τις πολύ αινιγματικές κοσμικές δομές, που η ύπαρξή τους υποτίθεται ότι παραβιάζει ορισμένες αρχές της Φυσικής.

Ο όρος «μαύρη τρύπα» εισάγεται το 1967 από τον μεγάλο Αμερικανό αστρονόμο και θεωρητικό φυσικό Τζον Γουίλερ, για να περιγράψει όχι μία «τρύπα» με τη συνήθη έννοια, αλλά τις συμπαντικές δομές που προκύπτουν από την τοπική καμπύλωση του χωροχρόνου, την ύπαρξη των οποίων είχε προβλέψει ο Αϊνστάιν.

Αυτές οι αδιαπέραστες, σκοτεινές δομές δημιουργούνται όταν πολύ μεγάλα άστρα, μεγαλύτερα από τον δικό μας Ηλιο, εξαντλούν τα υλικά-ενεργειακά τους αποθέματα και καταρρέουν με μία μεγάλη έκρηξη. Τα μεγάλα άστρα που καταρρέουν ονομάζονται «σουπερνόβα», ελληνιστί «υπερκαινοφανείς αστέρες», και το εκρηκτικό τους τέλος είναι από τα πιο εντυπωσιακά φαινόμενα του ορατού Σύμπαντος.

Τη βίαιη έκρηξη των σουπερνόβα ακολουθεί η εσωτερική βαρυτική τους κατάρρευση, με αποτέλεσμα να καμπυλώνονται στον εαυτό τους, δημιουργώντας τελικά μια μαύρη τρύπα. Ενα φυσικό αστρονομικό φαινόμενο που, ήδη από το 1915, προβλεπόταν από τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν.

Πράγματι, οι «μαύρες τρύπες» είναι η λογική και αναγκαία συνέπεια της εφαρμογής της σχετικιστικής βαρύτητας σε γιγάντια άστρα που φτάνουν στο τέλος της ύπαρξής τους: αν η κατάρρευσή αυτών των άστρων ξεκινήσει, συνεχίζεται ακάθεκτη έως ότου το άστρο περιοριστεί σ’ ένα «ιδιόμορφο χωροχρονικό σημείο» που ονομάζεται «μοναδικότητα».

Σύμφωνα με τις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας, στο «ιδιόμορφο» αυτό σημείο η πυκνότητα και καμπυλότητα της αστρικής μάζας τείνουν προς το άπειρο και ο χρόνος «σταματά» να υπάρχει. Η δύναμη της βαρύτητας μιας «μαύρης τρύπας» παραμορφώνει σε τέτοιο βαθμό τον χωρόχρονο, ώστε καμία μορφή πληροφορίας δεν εισέρχεται ή εκπέμπεται, ούτε καν το φως δεν μπορεί να διαφύγει από την ελκτική της δύναμη.

Από τη θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν προκύπτει, λοιπόν, ότι οι μαύρες τρύπες μπορούν να έχουν μόνο τρία χαρακτηριστικά: μάζα, σπιν και φορτίο και, αν οι τιμές αυτών των τριών χαρακτηριστικών είναι ίδιες σε δυο διαφορετικές μαύρες τρύπες, τότε είναι αδύνατον να διακρίνουμε τη μία με την άλλη.

Από τη Σχετικότητα στην Κβαντομηχανική

Πολύ αργότερα, κατά τη δεκαετία του 1960, ο διάσημος Αμερικανός φυσικός John Archibald Wheeler διατύπωσε αυτήν την πρόβλεψη της θεωρίας της σχετικότητας, ότι δηλαδή για τις μαύρες τρύπες δεν μπορούμε να γνωρίσουμε τίποτε άλλο εκτός από τη μάζα, το σπιν και το φορτίο τους, με την περίφημη φράση: «οι μαύρες τρύπες δεν έχουν μαλλιά ή τρίχες» (Black holes have no hair). Με αυτή τη μεταφορά, θέλησε να αναδείξει ότι τίποτα άλλο εκτός από αυτά τα τρία χαρακτηριστικά δεν μπορούμε να γνωρίσουμε για την ιδιαίτερη δομή και τη ιστορία των μαύρων τρυπών.

Αυτό το απαγορευτικό, αλλά ευρύτατα αποδεκτό αξίωμα περί της μη γνωστικής «τριχοφυΐας» των μαύρων τρυπών αμφισβητήθηκε αργότερα από διάφορους διάσημους θεωρητικούς φυσικούς και κοσμολόγους. Οπως, για παράδειγμα, ο κορυφαίος Βρετανός αστροφυσικός Στίβεν Χόκινγκ (St. Hawking), ο οποίος, ούτε λίγο ούτε πολύ, υποστηρίζει ότι η εικόνα που έχει η σύγχρονη Φυσική για τις μαύρες τρύπες είναι μάλλον παραπλανητική, ίσως και λανθασμένη, αφού δεν καταφέρνει να εξηγήσει ούτε το πώς δημιουργούνται ούτε, ενώ υπάρχουν, ποια είναι η λειτουργία τους.

Στο αξίωμα ότι «οι μαύρες τρύπες δεν έχουν μαλλιά», ο Χόκινγκ αντιτείνει το «παράδοξο της πληροφορίας», σύμφωνα με το οποίο οι πληροφορίες των σωμάτων που καταλήγουν μέσα σε μια μαύρη τρύπα δεν χάνονται για πάντα. Οπως κατ’ επανάληψη έχει επισημάνει ο Χόκινγκ, γνωρίζουμε ότι αυτές οι πληροφορίες, λόγω της ιδιαίτερης φύσης τους, στην πραγματικότητα δεν χάνονται ποτέ.

Μελετώντας αυτό το παράδοξο μαζί με τον συνάδελφό του στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ Μάλκολμ Πέρι (M. Perry) και με τον καθηγητή στο Χάρβαρντ, Αντριου Στρόμπεργκ (A. Stromberg), ο Χόκινγκ κατέληξε στην άκρως ριζοσπαστική άποψη, ότι οι πληροφορίες αυτές δεν χάνονται στο εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας, αλλά διατηρούνται και αποτυπώνονται ολογραμματικά στον «ορίζοντα των φαινομένων» που βρίσκεται γύρω από την είσοδο κάθε μαύρης τρύπας.

Δυο έρευνες που μόλις δημοσιεύτηκαν προτείνουν μια κβαντική ερμηνεία για το ότι οι μαύρες τρύπες μπορεί τελικά να μην είναι και τόσο μαύρες όσο τις περιγράφαμε μέχρι σήμερα. Η πρώτη έρευνα που μόλις δημοσιεύτηκε στο περιοδικό «Physical Review Letters» έγινε από τον Stephen Hsu, στο πανεπιστήμιο Μίσιγκαν των ΗΠΑ, και τον Ιταλό αστροφυσικό Roberto Casadio, από το πανεπιστήμιο της Μπολόνια.

Η δεύτερη έρευνα έγινε από τους Xavier Calmet και Folkert Kuipers, στο βρετανικό πανεπιστήμιο Σάσεξ, και δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Physics Letters B με τίτλο «Quantum Hair and Black Hole Information».

Αυτοί οι ερευνητές συνέκριναν τα βαρυτικά πεδία δύο αστέρων που έγιναν μαύρες τρύπες, οι οποίες, ενώ είχαν την ίδια μάζα, στο εσωτερικό τους η ύλη ήταν διαφορετικά κατανεμημένη. Ετσι διαπίστωσαν ότι, όταν αυτά τα άστρα κατέρρευσαν και έγιναν μαύρες τρύπες, τα «εξωτερικά» βαρυτικά πεδία τους διατηρούσαν τη μνήμη της διαφορετικής «εσωτερικής» δομής τους. Αυτό σημαίνει ότι οι δύο μαύρες τρύπες διαφοροποιούνται μεταξύ τους και η εσωτερική δομή της καθεμιάς επηρεάζει την εξωτερική της δομή.

Επομένως, οι δύο νέες έρευνες υποστηρίζουν ότι οι μαύρες τρύπες είναι πολύ πιο πολύπλοκες απ’ ό,τι πιστεύαμε μέχρι τώρα, αφού έχουν ένα βαρυτικό πεδίο που σε στοιχειώδες κβαντικό επίπεδο φαίνεται ικανό να κωδικεύει και να αποτυπώνει τις πληροφορίες για το πώς σχηματίστηκε. Αν αυτές οι έρευνες επιβεβαιωθούν και από άλλες έρευνες, τότε ίσως να έχει βρεθεί μια κβαντική λύση στο «παράδοξο της πληροφορίας».