Πώς θα τελειώσει ο κόσμος μας; Η ακτινοβολία Hawking θα μπορούσε να παίξει κρίσιμο ρόλο στην γήρανση του σύμπαντος

Τι θα συμβεί αν καούν όλα τα αστέρια στο σύμπαν; Θα καταρρεύσουν τα πάντα γύρω μας κάποια στιγμή; © cemagraphics/ Getty images

14/11/2024

Το Μεγάλο Τίποτα: Τι θα συμβεί αν καούν όλα τα αστέρια στο σύμπαν;

Σύμφωνα με ένα νέο σενάριο, η ακτινοβολία Hawking που ανακάλυψε ο Βρετανός φυσικός Stephen Hawking θα μπορούσε να παίξει καθοριστικό ρόλο. Επειδή δεν λειτουργεί μόνο στον ορίζοντα γεγονότων των μαύρων τρυπών, αλλά και σε άλλες περιοχές με έντονη καμπυλότητα χωροχρόνου. Στο γερασμένο σύμπαν, όλα τα εναπομείναντα τεράστια αντικείμενα θα μπορούσαν σταδιακά να εκμηδενιστούν λόγω αυτού του φαινομένου - και ο κόσμος τελειώνει με ένα μεγάλο κενό.

Το σύμπαν μας δεν θα διαρκέσει απεριόριστα – τουλάχιστον όχι με τη μορφή που το γνωρίζουμε. Καθώς η διαστολή συνεχίζεται, το σύμπαν ψύχεται και η πυκνότητα της ύλης του μειώνεται. Κάποια στιγμή η πρώτη ύλη για νέα αστέρια θα εξαντληθεί και το σύμπαν θα γίνει σκοτεινό, κρύο και άδειο. Απομένουν μόνο μαύρες τρύπες και καμένα υπολείμματα αστεριών όπως οι «μαύροι νάνοι».

Τι γίνεται όμως τότε; Αυτό εξακολουθεί να είναι αμφιλεγόμενο. Σύμφωνα με τη θεωρία του «Big Rip», η συνεχής επέκταση θα σχίσει όλες τις εναπομείνασες δομές και αντικείμενα στα βασικά δομικά στοιχεία τους. Η θεωρία του «Big Crunch», από την άλλη πλευρά, υποθέτει μια κατάρρευση του σύμπαντος σε ένα είδος αντίστροφης Μεγάλης Έκρηξης – με την επιλογή της «αναγέννησης». Τέλος, μια τρίτη θεωρία υποθέτει τον θερμικό θάνατο του σύμπαντος, μια κατάσταση μέγιστης εντροπίας στην οποία ολόκληρο το σύμπαν είναι απλώς μια ομοιόμορφη, λεπτή σούπα στοιχειωδών σωματιδίων.

Συμπεριφορά εικονικών ζευγών σωματιδίων στο περιβάλλον μιας μαύρης τρύπας: Ακόμη και σε κάποια απόσταση από τον ορίζοντα γεγονότων, μπορούν να σχιστούν και να γίνουν ακτινοβολία. © Wondrak et al./ Radboud Universiry

 Εικονικά ζεύγη σωματιδίων και ακτινοβολία Hawking  

Τώρα οι φυσικοί στο Πανεπιστήμιο Radboud με επικεφαλής τον Michael Wondrak ανακάλυψαν έναν μηχανισμό που θα μπορούσε να προωθήσει και να επιταχύνει τη διάσπαση των κοσμικών αντικειμένων. Το σημείο εκκίνησης για αυτό είναι η κβαντική διακύμανση. Ως αποτέλεσμα, ακόμη και στο φαινομενικά άδειο κενό του χώρου, δημιουργούνται συνεχώς ζεύγη εικονικών σωματιδίων και των αντισωματιδίων τους, τα οποία στη συνέχεια εξαφανίζονται αμέσως το ένα το άλλο. Ωστόσο, υπό προϋποθέσεις, αυτός ο εκμηδενισμός μπορεί να αποτραπεί και τα ζευγάρια να γίνουν αληθινά.

Ένα παράδειγμα αυτού είναι η ακτινοβολία Χόκινγκ από τις μαύρες τρύπες, που υποστήριξε ο Βρετανός φυσικός Στίβεν Χόκινγκ την δεκαετία του 1970. Συμβαίνει όταν τα εικονικά ζεύγη σωματιδίων εμφανίζονται απευθείας στον ορίζοντα γεγονότων και μόνο ένα από τα δύο σωματίδια έλκεται στην μαύρη τρύπα. Τότε το άλλο σωματίδιο ξεφεύγει από την εξαφάνιση και γίνεται πραγματικό. Οι υπόλοιποι εταίροι σχηματίζουν ακτινοβολία, η οποία προκαλεί τον τοπικό χωροχρόνο να χάνει ενέργεια και η μαύρη τρύπα γίνεται όλο και μικρότερη - έως ότου τελικά εξαφανιστεί εντελώς.

 Hawking-Αποτέλεσμα ακόμα και χωρίς ορίζοντα γεγονότων 

Εδώ μπαίνει ο Wondrak και η ομάδα του. Διότι ανακάλυψαν ότι η «εξάλειψη» που υποστήριξε ο Χόκινγκ μπορεί επίσης να λάβει χώρα χωρίς ορίζοντα γεγονότων - και επομένως και με «κανονικά» ουράνια σώματα. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς τους, αυτό συμβαίνει όπου η βαρύτητα είναι αρκετά μεγάλη ώστε να παράγει ακραίες παλιρροϊκές δυνάμεις στο μικρότερο επίπεδο. «Τα εικονικά ζεύγη σωματιδίων σχίζονται από αυτές τις τοπικές παλιρροϊκές δυνάμεις και επομένως γίνονται αληθινά», εξηγούν οι φυσικοί.

Αυτό σημαίνει ότι μια μαύρη τρύπα όχι μόνο παράγει ακτινοβολία Hawking απευθείας στον ορίζοντα γεγονότων, αλλά υπάρχει επίσης μια άλλη ζώνη ακτινοβολίας πιο έξω. Η θέση τους εξαρτάται από τη μάζα M της μαύρης τρύπας και τη βαρυτική σταθερά G. «Ο υψηλότερος ρυθμός παραγωγής σωματιδίων που διαφεύγουν είναι περίπου 2,32 GM», αναφέρουν οι φυσικοί. Αυτή η ζώνη βρίσκεται περίπου στα μισά του δρόμου μεταξύ του ορίζοντα γεγονότων και του δακτυλίου φωτός από τα φωτόνια που περιφέρονται γύρω από τη μαύρη τρύπα.

Η χωροχρονική καμπυλότητα ως διαχωριστικός παράγοντας  

«Η μελέτη μας δείχνει ότι η καμπυλότητα του χωροχρόνου παίζει σημαντικό ρόλο στον σχηματισμό αυτής της ακτινοβολίας, ακόμη και μακριά από μαύρες τρύπες», λέει ο συνάδελφος του Wondrak, Van Suijlekom. Επειδή οπουδήποτε ο χωροχρόνος είναι έντονα καμπυλωμένος, ισχυρές παλιρροϊκές δυνάμεις μπορούν να προκύψουν σε έναν πολύ μικρό χώρο που σχίζουν τα εικονικά ζεύγη σωματιδίων. Η ακτινοβολία Hawking μπορεί επομένως να είναι μόνο μια ειδική περίπτωση ενός γενικότερου φαινομένου.  

Όπως εξηγούν οι φυσικοί, αυτό το νέο φαινόμενο έχει την ίδια μαθηματική και φυσική βάση με το λεγόμενο φαινόμενο Schwinger. Σε αυτό το φαινόμενο - το οποίο μέχρι στιγμής έχει υποτεθεί μόνο θεωρητικά - ένα ισχυρό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο σχίζει το εικονικό ζεύγος σωματιδίων και αποτρέπει την εξαφάνιση. Ενώ αυτό το φαινόμενο Schwinger λειτουργεί μόνο με ηλεκτρικά φορτισμένα ζεύγη εικονικών σωματιδίων και με ακραίες εντάσεις ηλεκτρικού πεδίου ενός τρισεκατομμυρίου βολτ ανά μέτρο, αυτό δεν ισχύει για το φαινόμενο που υποτίθεται από τον Wondrak και την ομάδα του.

Ο νέος τύπος «ακτινοβολίας από το τίποτα» προκύπτει επίσης από αφόρτιστα εικονικά σωματίδια και λειτουργεί με βάση τη βαρύτητα. «Αυτό το βαρυτικό παλιρροϊκό φαινόμενο επηρεάζει όλους τους τύπους σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένων των φωτονίων», λένε οι φυσικοί.

Ταχύτερη αποσύνθεση στο γηρασμένο σύμπαν  

Τι σημαίνει όμως αυτό για το τέλος του σύμπαντος μας; «Εάν αυτό το φαινόμενο επιβεβαιωθεί, θα σήμαινε ότι οι συσσωρεύσεις ύλης χωρίς παγκόσμιο ορίζοντα γεγονότων δημιουργούν επίσης αυτή την ακτινοβολία και τελικά διασπώνται», εξηγούν οι φυσικοί. Τεράστια αστρικά υπολείμματα και άλλα αντικείμενα θα μπορούσαν στην συνέχεια να αποσυντεθούν πιο γρήγορα στο γηρασμένο σύμπαν από ό,τι υποτίθεται προηγουμένως. «Τελικά τα πάντα στο σύμπαν θα φθαρούν», λέει ο συν-συγγραφέας Heino Falcke από το Πανεπιστήμιο Radboud.  

«Αυτό όχι μόνο αλλάζει την κατανόησή μας για την ακτινοβολία Hawking, αλλά και την άποψή μας για το σύμπαν και το μέλλον του», είπε ο ερευνητής. (Physical Review Letters, 2023; doi: 10.1103/PhysRevLett.130.221502) - Nadja Podbregar /Πηγή