Το πραγματικό σχήμα των μαύρων οπών

Άρθρο, Σεπτέμβριος 2003

Εάν είχαμε τον τρόπο να κοιτάξουμε μια μαύρη τρύπα, με τι θα έμοιαζε; Με μια τρύπα στο χώρο ή απλώς με μια τρύπα πάνω και κάτω από ένα χωνί;

Μια μαύρη τρύπα δεν είναι σαν τις τρύπες από αυτές που βλέπουμε, λένε οι αστρονόμοι. Αλλά η 'τρύπα' περιγράφει μια από τις σημαντικότερες πτυχές της. Συγκεκριμένα, τα αντικείμενα που μπαίνουν σε μια μαύρη τρύπα δεν μπορούν να βγουν έξω.

Αυτό το απίστευτο φαινόμενο της παγίδευσης επεκτείνεται και στην παγίδευση του φωτός. Κι αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο δεν μπορούμε να δούμε μια μαύρη τρύπα.

Αλλά το φως που περνάει κοντά σε μια μαύρη τρύπα (πάνω από μια ορισμένη απόσταση όμως) μπορεί να αποφύγει τη σύλληψη και απλώς να καμφθεί. Αυτός είναι ένας από τους τρόπους που οι επιστήμονες μελετούν και βρίσκουν τις ιδιότητες αυτού του αντικειμένου που δεν μπορούν να δουν: Εξετάζουν το φως που προέρχεται από τα φωτεινά αστέρια ή τους γαλαξίες πίσω από μια μαύρη τρύπα, σημειώνοντας το πόσο κάμπτεται και βγάζουν τα συμπεράσματα τους.

Ακόμα καλύτερα, οι μαύρες τρύπες δεν είναι τόσο μυστικές, τόσο φευγαλέες όπως φαντάζονται οι άνθρωποι.

Στις περισσότερες μαύρες τρύπες γύρω από αυτές επικρατεί μια βίαιη διαταραχή, μια απίστευτη δραστηριότητα που στην πραγματικότητα μας δίνουν ακόμη περισσότερες ενδείξεις για το τι κρύβεται εκεί μέσα.

Όταν μια μαύρη τρύπα καταπίνει ύλη, αυτό το κάνει με τρόπο που να γίνεται αντιληπτή. Καθώς ύλη από τα διπλανά της άστρα έλκεται τρομερά από τη μαύρη τρύπα (στην ουσία τα άστρα αποτελούνται από θερμά αέρια) όπως επίσης έλκεται και το διαστρικό αέριο και η σκόνη, στροβιλίζονται γύρω από αυτήν, μέσα σε έναν επίπεδο "δίσκο προσαύξησης" προτού αυτά να απορροφηθούν μέσα στην μαύρη τρύπα.

Αφού σκόνη και αέρια κινηθούν σπειροειδώς προς τα μέσα, επιταχύνονται τρομερά -- κοντά στην ταχύτητα του φωτός-- κι έτσι τα σωματίδια της ύλης υπερθερμαίνονται λόγω της τριβής. Όταν όμως η ύλη επιταχύνεται εκπέμπεται μια δέσμη ακτίνων σε συχνότητες από τα ραδιοκύματα έως τις ακτίνες X που ξεφεύγει μακριά στο διάστημα.

Αυτή λοιπόν η ακτινοβολία, αυτό το έμμεσο παρατηρητικό μέσο, είναι το αντικείμενο που εξετάζουν οι αστρονόμοι για να βρουν τις ιδιότητες της μαύρης τρύπας και για να μάθουν τις διαστάσεις του ορίζοντα γεγονότων. Της περιοχής μέσα στην οποία αν βρεθεί το φως ή η ύλη δεν επιστρέφει ποτέ έξω.

Αυτή η ακτινοβολία μας επιτρέπει επίσης να μελετήσουμε τη δομή και το σχηματισμό του δίσκου προσαύξησης και μπορεί να μας αποκαλύψει επίσης πληροφορίες σχετικά με την ύπαρξη και τις ιδιότητες της ίδιας μαύρης τρύπας.

Όμως οι επιστήμονες βρίσκουν από εκεί ενδείξεις και για το σχήμα μιας μαύρης τρύπας, που θεωρούν ότι είναι δύο διαφορετικών τύπων. Ο ένας τύπος θα είχε τη συμμετρία μιας σφαίρας. Ο άλλος τύπος θα είχε τη συμμετρία του καλύμματος μιας σφαίρας. Ο δεύτερος αυτός τύπος της μαύρης τρύπας έχει μια μορφή με αξονική συμμετρία επειδή έχει spin.

Ναι, οι μαύρες τρύπες περιστρέφονται. Αυτό δεν προκαλεί καμιά μεγάλη έκπληξη στους αστρονόμους, επειδή τα άστρα περιστρέφονται και τα αστέρια είναι οι πρόγονοι μιας ιδιαίτερης κατηγορίας των μαύρων οπών, αυτές με το μικρότερο βάρος, που είναι γνωστές ως αστρικές μαύρες οπές και που είναι πανταχού παρούσες μέσα στον Γαλαξία μας.

Οι περισσότερες περιγραφές των μαύρων οπών -- και οι εικόνες που τις συνοδεύουν μερικές φορές -- απεικονίζουν τα αντικείμενα αυτά ως σφαίρες και δεν αναφέρουν ότι υπάρχει και ένα εναλλακτικό σχήμα.

Όμως το γεγονός ότι δεν μπορούμε να τις δούμε κάνει δύσκολη την απόδειξη για το σχηματισμό τους, την εξέλιξη και την φυσική των μεγαλύτερων  σε βάρος αντικειμένων της φύσης.

Μία θεωρία -- και αυτή δεν είναι τόσο εξεζητημένη στα στάνταρ των μαύρων οπών -- προτείνει ότι υπάρχουν πέντε διαστάσεις του χωρόχρονου, που περιλαμβάνει ένα μη σφαιρικό, περιστρεφόμενο, "μαύρο δαχτυλίδι" με σχήμα σαν  ντόνατς. Άλλοι ερευνητές, που χρησιμοποιούν προσομοιώσεις σε υπολογιστές, εμφανίζουν ότι η δομή του χωρόχρονου είναι διαστρεβλωμένη γύρω από μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα.

Μαύρες τρύπες, μαύρες κορυφές, μαύρα δαχτυλίδια. Προφανώς, υπάρχουν μεγάλες διαφορές μεταξύ μιας τρύπας στο διάστημα και μιας τρύπας στην αυλή σας.

Ίσως η απλούστερη διάκριση είναι αυτή: Μια μαύρη τρύπα μπορεί να 'πακετάρει' τη μάζα αρκετών άστρων σε μια περιοχή του διαστήματος, σε μέγεθος συγκρίσιμο με το μέγεθος μιας πόλης.

Τα σχήματα επεξηγούν τη διαφορά μεταξύ μιας περιστρεφόμενης μαύρης τρύπας (δεξιά) και μιας που δεν περιστρέφεται (αριστερά).

Και στις δύο εικόνες που βγήκαν από υπολογιστές, κοιτάζοντας από πάνω προς τα κάτω, ο κεντρικός σκοτεινός κύκλος αντιπροσωπεύει το σημείο της μη επιστροφής της μαύρης τρύπας, τον ορίζοντα γεγονότος.

Τα περιβάλλοντα μπλε και λευκά δαχτυλίδια είναι καυτό αέριο που στρέφεται γύρω από και προς τη μαύρη τρύπα, σαν το νερό που φεύγει από μια μπανιέρα. Το πράσινο πλέγμα απεικονίζει  τις συντεταγμένες του χωρόχρονου, που διαστρεβλώνεται λόγω της περιστρεφόμενης μαύρης τρύπας στη δεξιά εικόνα.

Οι μαύρες τρύπες, που δεν είναι άμεσα ορατές, αποτελούν το τελικό στάδιο ενός αστέρα πολύ μεγάλης μάζας. Όταν η βαρυτική κατάρρευση δεν μπορεί να αναχαιτιστεί ούτε από την πίεση του υπερσυμπιεσμένου νέφους νετρονίων, τότε ο πυρήνας του αστέρα καταλήγει σε μια μαύρη τρύπα. Η πυκνότητα της ύλης στο εσωτερικό της είναι θεωρητικά άπειρη. Ο χώρος και ο χρόνος παρουσιάζουν ιδιομορφία και το βαρυτικό πεδίο κοντά στη μαύρη τρύπα είναι τόσο ισχυρό που δεν επιτρέπει τη διαφυγή ούτε της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η παρατήρησή τους γίνεται έμμεσα: είτε από τις ακτίνες Χ που εκπέμπονται από την ύλη που έλκουν, είτε από τον τρόπο που επηρεάζουν την κίνηση και την κατάσταση γειτονικών τους αστέρων.