Ξεδιπλώνοντας τις ιδέες που έχουμε για τις μαύρες τρύπες

Οι μαύρες τρύπες είναι τοποθεσίες στο σύμπαν όπου η συνηθισμένη βαρύτητα έχει γίνει τόσο μεγάλη που συντρίβει όλες τις άλλες δυνάμεις. Και τίποτα μα τίποτα δεν μπορεί να δραπετεύσει από τη βαρύτητα μιας μαύρης τρύπας – ακόμη ούτε και το φως.

Αριστερά: Ένα πολύ μικρό τμήμα του Γαλαξία μας στον αστερισμό του Τοξότη.

Ακόμα ξέρουμε ότι οι μαύρες τρύπες υπάρχουν. Ξέρουμε πώς γεννιούνται, πού εμφανίζονται και γιατί υπάρχουν σε διαφορετικά μεγέθη. Ξέρουμε ακόμη και τι θα συνέβαινε εάν εισερχόμαστε σε κάποια από αυτές. Οι ανακαλύψεις τα τελευταία 20 χρόνια μας έχουν αποκαλύψει ένα από τα πιο παράξενα αντικείμενα στο σύμπαν, αλλά υπάρχουν ακόμα πολλά που δεν ξέρουμε.

Συνολικά, ο Γαλαξίας μας περιέχει κάπου 100 δισεκατομμύρια άστρα και 100 εκατομμύρια αστρικές μαύρες τρύπες. Οι περισσότερες από αυτές είναι αόρατες σε μας, και μόνο μια δωδεκάδα σχεδόν έχει προσδιοριστεί. Η κοντινότερη σε μας είναι περίπου 1.600 έτη φωτός. Στην περιοχή του ορατού σύμπαντος από τη Γη, υπάρχουν ίσως 100 δισεκατομμύρια γαλαξίες. Ο καθένας τους έχει περίπου 100 εκατομμύρια αστρικές μαύρες τρύπες. Και κάπου έξω εκεί, μια νέα αστρική μαύρη τρύπα γεννιέται μέσα σε μια υπερκαινοφανή έκρηξη κάθε δευτερόλεπτο.

Οι τεράστιες μαύρες τρύπες που μπορεί να έχουν από ένα εκατομμύριο έως ένα δισεκατομμύριο φορές περισσότερη μάζα από τον ήλιο μας,  βρίσκονται στα κέντρα των γαλαξιών και οι περισσότεροι γαλαξίες, και ίσως κι όλοι τους, να φιλοξενούν μια τέτοια μαύρη τρύπα. Έτσι στην περιοχή του ορατού Κόσμου υπάρχουν περίπου 100 δισεκατομμύρια υπερβαρέες μαύρες τρύπες. Η κοντινότερη κατοικεί στο κέντρο του Γαλαξία μας, κάπου 28 χιλιάδες έτη φωτός. Η πιο απόμακρη που ξέρουμε είναι σε ένα γαλαξία κβάζαρ δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά.

Και επειδή η κοντινότερη μαύρη τρύπα είναι πολλά έτη φωτός μακριά μας, δεν θα πρέπει να ανησυχούμε αν απειλούν τη Γη και φυσικά ποτέ δεν θα τις πλησιάσουμε. Γι αυτό είναι εύκολη η εξερεύνησή τους από εδώ.

Πώς παίρνουν το όνομα τους οι μαύρες τρύπες

Δεν υπάρχει κανένα ειδικό σύστημα για την ονομασία των μαύρων οπών. Οι υπερβαρέες μαύρες τρύπες στους πυρήνες των γαλαξιών ονομάζονται από το όνομα των γαλαξιών. Ένα όνομα όπως M31 δείχνει ότι ο γαλαξίας καταχωρήθηκε από τον αστρονόμο Charles Messier κοντά στο 1700. Ένα όνομα που αρχίζει με “NGC” δείχνει ότι έχει καταχωρηθεί στο Νέο Γενικό Κατάλογο, ο οποίος συντάχθηκε το 1888 και επεκτάθηκε μέχρι τώρα. Μερικές μαύρες τρύπες καταχωρούνται από τον αστερισμό τους και πώς ανακαλύφθηκαν. Το Cygnus Χ-1 ήταν το πρώτο από τα αντικείμενα που έκανε εκπομπή ακτίνων X, και που ανακαλύφθηκε στον αστερισμό του Κύκνου (Cygnus), παραδείγματος χάριν. Και πολλές άλλες μαύρες τρύπες προσδιορίζονται από το όργανο ή την έρευνα που τις ανακάλυψαν και η θέση τους στον ουρανό: για παράδειγμα το αντικείμενο XTE J1118+480 ανακαλύφθηκε από τον Δορυφόρο Rossi X-Ray Timing Explorer (XTE), και είναι στις ουράνιες συντεταγμένες 1118+480. ΤΗ μαύρη τρύπα GRO J1655-40 ανακαλύφθηκε από το παρατηρητήριο Compton Gamma-Ray, και ούτω καθεξής.

Δεν υπήρχαν μαύρες τρύπες κατά τον Αϊνστάιν

Το 1939, ο Αϊνστάιν έγραψε μια μελέτη όπου επιχειρούσε να καταρρίψει την ύπαρξη άστρων που δεν ακτινοβολούσαν, δηλαδή μαύρων οπών. Γιατί όπως ισχυρίστηκε είναι αδύνατο να σχηματιστούν με φυσικές διαδικασίες. Η άποψη του στηριζόταν στην παραδοχή ότι τα άστρα σχηματίζονται από ένα στροβιλιζόμενο νέφος σκόνης, αερίων και θραυσμάτων που, λόγω της βαρύτητας, σταδιακά ενώνονται. Στη συνέχεια, έδειξε ότι αυτή η συγκέντρωση στροβιλιζόμενων σωματιδίων δεν καταρρέει ποτέ στην ακτίνα Schwarzschild και επομένως δεν μπορεί να μετατραπεί σε μαύρη τρύπα. Στην καλύτερη περίπτωση, η ακτίνα αυτής της στροβιλιζόμενης μάζας σωματιδίων θα έφτανε να είναι μιάμιση φορά η ακτίνα Schwarzschild, οπότε πάλι αποκλειόταν ο σχηματισμός μαύρης τρύπας. Για να ξεπεράσει κανείς αυτό το όριο – μιάμιση φορά την ακτίνα Schwarzschild – θα έπρεπε να κινείται ταχύτερα από το φως, πράγμα αδύνατο. Και φυσικά δεν υπήρχαν και οι ιδιομορφίες, σύμφωνα με τον Αϊνστάιν.

Παρόμοιες επιφυλάξεις όσον αφορά τις μαύρες τρύπες είχε και ο Arthur Eddington, που δε δέχτηκε ποτέ την ύπαρξη τους. Κάποτε, μάλιστα, είχε πει ότι θα έπρεπε να υπάρχει “ένας νόμος στη Φύση που να αποτρέπει μια τόσο παράλογη αστρική συμπεριφορά.”

Την ίδια χρονιά, ο Ρόμπερτ Οπενχάιμερ (από τους ιδρυτές της πρώτης ατομικής βόμβας) έδειξε πως ο σχηματισμός της μαύρης τρύπας είναι δυνατός μέσω ενός άλλου μηχανισμού. Αντί να υποθέσουν ότι οι μαύρες τρύπες προκύπτουν από μια στροβιλιζόμενη συγκέντρωση σωματιδίων που καταρρέει λόγω της βαρύτητας, είπε ότι ξεκινάει από ένα γηραιό άστρο με μεγάλη μάζα που, έχοντας εξαντλήσει τα πυρηνικά του καύσιμα, υφίσταται ενδόρρηξη εξαιτίας της βαρύτητας. Για παράδειγμα, αν ένα μελλοθάνατο άστρο-γίγαντας με μάζα σαράντα φορές μεγαλύτερη εκείνης του Ήλιου εξαντλούσε τα πυρηνικά του καύσιμα, θα μπορούσε να συμπιεστεί λόγω της βαρύτητας στην ακτίνα Schwarzschild – που στην προκειμένη περίπτωση θα ήταν περίπου 130 χιλιόμετρα- και να καταρρεύσει σχηματίζοντας μια μαύρη τρύπα. Οι μαύρες τρύπες, υποστήριξαν, όχι μόνο είναι δυνατό να υπάρξουν, αλλά ίσως και να αποτελούν την ύστατη κατάληξη για δισεκατομμύρια άστρα-γίγαντες που πεθαίνουν στο γαλαξία μας.

Οι μαύρες τρύπες ακολουθούν τους νόμους της βαρύτητας;

Δεξιά: Ο χωροχρονικός ιστός γύρω από τη γη, όπως παρατηρήθηκε από την αποστολή της NASA, Gravity Probe B

Οι μαύρες τρύπες ακολουθούν όλους τους νόμους της φυσικής, συμπεριλαμβανομένων και των νόμων της βαρύτητας. Οι αξιοπρόσεκτες ιδιότητές τους είναι στην πραγματικότητα μια άμεση συνέπεια της βαρύτητας.

Το 1687, ο Ισαάκ Νεύτωνας έδειξε ότι όλα τα αντικείμενα στο σύμπαν ελκύουν το ένα το άλλο μέσω της δύναμης της βαρύτητας. Η βαρύτητα είναι στην πραγματικότητα η πιο ασθενής δύναμη στη φύση. Στην καθημερινή μας όμως ζωή, άλλες δυνάμεις από την ηλεκτρική, το μαγνητισμό, ή την πίεση ασκούν συχνά μια ισχυρότερη επίδραση. Εντούτοις, η βαρύτητα διαμορφώνει το σύμπαν επειδή καθίσταται αισθητή σε πολύ μεγάλες αποστάσεις. Παραδείγματος χάριν, ο Νεύτωνας έδειξε ότι οι νόμοι της βαρύτητάς του μπορούν να εξηγήσουν τις κινήσεις των φεγγαριών και των πλανητών στο ηλιακό σύστημα.

Ο Αλβέρτος Αϊνστάιν αργότερα άλλαξε ριζικά την άποψη που είχαμε για τη βαρύτητα μέσω της θεωρίας της Γενικής Σχετικότητάς του. Για πρώτη φορά έδειξε, βασισμένος στο γεγονός ότι το φως κινείται με μια σταθερή ταχύτητα, ότι ο χώρος και ο χρόνος πρέπει να συνδέονται. Και το 1915, έδειξε ότι τα αντικείμενα μεγάλης μάζας διαστρεβλώνουν τον χωρόχρονο την τεσσάρων διαστάσεων συνέχεια, και ότι αυτή η διαστρέβλωση είναι ότι θεωρούμε ως βαρύτητα. Οι προβλέψεις του Αϊνστάιν έχουν ελεγχθεί για δεκαετίες μέσω πολλών διαφορετικών πειραμάτων. Για τα σχετικά ασθενή βαρυτικά πεδία, όπως της Γης, οι προβλέψεις των δύο θεωριών – Αϊνστάιν και Νεύτωνα – είναι σχεδόν ίδιες. Αλλά για τα πολύ ισχυρά βαρυτικά πεδία, όπως αυτά που παρατηρούμε κοντά στις μαύρες τρύπες, η θεωρία του Αϊνστάιν προβλέπει πολλά συναρπαστικά νέα φαινόμενα.

Με ποιό τρόπο γίνεται ένα άστρο μαύρη τρύπα;

Από τη στιγμή που γεννιέται ένα άστρο μέχρι και το θάνατό του αντιπαλεύει συνεχώς ενάντια στη δύναμη της βαρύτητας. Πρόκειται για μια πάλη που αργά ή γρήγορα είναι καταδικασμένο να χάσει. Και ανάλογα με την ύλη που περιέχει στο τέλος της ζωής του ένα άστρο θα έχει έναν από τρεις διαφορετικούς τρόπους θανάτου. Συγκεκριμένα άστρα με πυρήνα μέχρι 1.4 ηλιακές μάζες θα γίνει λευκός νάνος. Άστρα που κατορθώνουν να συγκρατήσουν στον πυρήνα τους υλικά από 1.4 έως 2.5 ηλιακές μάζες μετατρέπονται σε πάλσαρ ή άστρα νετρονίων. Αν όμως ο πυρήνας των άστρων στο τέλος της ζωής τους ξεπερνά τις 2.5 ηλιακές μάζες μετατρέπεται σε μαύρη τρύπα, γιατί τίποτα δεν μπορεί να αντισταθεί στη δύναμη της βαρύτητας.

Για να πεθάνει όμως ένα άστρο καίει τα καύσιμά του. Και οι περισσότεροι ξέρουμε ότι ένα αστέρι είναι ένας τεράστιος, καταπληκτικής ισχύος, αντιδραστήρας σύντηξης των ελαφρών στοιχείων. Επειδή τα αστέρια έχουν πολύ μάζα και είναι φτιαγμένα από αέριο υδρογόνο και λίγο ήλιο, υπάρχει ένα ισχυρό βαρυτικό πεδίο που προσπαθεί πάντα να φέρει βαρυτική κατάρρευση στο άστρο. Οι αντιδράσεις σύντηξης, που συμβαίνουν στον πυρήνα του άστρου, είναι σαν μια γιγαντιαία βόμβα σύντηξης που προσπαθεί να ανατινάξει το άστρο. Η ισορροπία μεταξύ των βαρυτικών δυνάμεων και των εκρηκτικών δυνάμεων είναι αυτό που καθορίζει εν τέλει το μέγεθος του αστεριού.

Μετά τη γέννηση ενός άστρου – από τη συμπύκνωση μεγάλων μαζών γαλαξιακού αερίου υδρογόνου κυρίως – αρχίζει και η σύντηξη των ελαφρών στοιχείων στον πυρήνα του. Κι αυτή η σύντηξη δημιουργεί μια τρομακτική πίεση από το κέντρο του άστρου προς τα έξω και η οποία αντισταθμίζεται για εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια χρόνια από τη βαρύτητα.

Δεξιά: Όταν πεθαίνουν άστρα με μικρή μάζα (λιγότερη από οκτώ φορές τη μάζα του ήλιου) αργά-αργά αποβάλλουν τα εξωτερικά τους στρώματα. Αυτά τα στρώματα μπορεί να εκπέμπουν ακτινοβολία για χιλιάδες χρόνια. Το άστρο λέγεται λανθασμένα τότε πλανητικό νεφέλωμα.

Αστέρια με λιγότερη από οκτώ φορές τη μάζα του ήλιου, πεθαίνουν σχετικά ήρεμα. Τα εξωτερικά στρώματα τους, μετά από μια γιγάντια έκρηξη, ξεχύνονται στο διάστημα σαν αστρικός άνεμος, κι έτσι το αστέρι αυτό γίνεται προσωρινά ορατό σαν ένα πλανητικά νεφέλωμα. Το υπόλοιπο τμήμα του άστρου, είναι στο μέγεθος της Γης και ονομάζεται λευκός νάνος.

Αλλά, τα βαρύτερα αστέρια πεθαίνουν με μια θεαματική υπερκαινοφανή έκρηξη, κι αν το άστρο ήταν μέτρια βαρύ, τότε το κατάλοιπο του φτιάχνει ένα αστέρι νετρονίων: μια πυκνή σφαίρα από νετρόνια, που συμπιέζεται τόσο πολύ που η διάμετρος του είναι κάπου 15 χιλιόμετρα. Τέλος, τα εξαιρετικά βαριά αστέρια (με μάζα περισσότερη από 25 φορές του Ήλιου) δεν έχουν κανένα τρόπο να αντισταθούν στη βαρυτική έλξη καθώς πεθαίνουν. Έτσι, καταρρέουν εντελώς σε μια μαύρη τρύπα.

Αριστερά: Τα πολύ μεγάλα άστρα πεθαίνουν με μια καταπληκτική υπερκαινοφανή έκρηξη, που διαρκεί λίγα μόνο δευτερόλεπτα. Η έκρηξη σκορπίζει στο διάστημα το μεγαλύτερο μέρος του άστρου. Ό,τι απομείνει είναι τότε ένα άστρο νετρονίων

Η δημιουργία μιας αστρικής μαύρης τρύπας ακολουθεί το στάδιο της καταστροφικής υπερκαινοφανούς (σουπερνόβα) έκρηξης ενός άστρου. Αν ο πυρήνας του άστρου είναι μικρότερος των 10 ηλιακών μαζών, περίπου, τότε μετά την γιγάντια έκρηξη θεωρείται ότι τα νετρόνια μπορούν να σταματήσουν τη βαρυτική κατάρρευση του άστρου και δημιουργείται έτσι ένα αστέρι νετρονίων.

Όταν όμως ο πυρήνας είναι βαρύτερος (M_πυρήνα > ~ 20 ηλιακές μάζες), τίποτα στο γνωστό κόσμο δεν είναι σε θέση να σταματήσει την κατάρρευση των πυρήνων, κι έτσι ο πυρήνας συμπιέζεται τόσο πολύ που δημιουργεί μια μαύρη τρύπα. Αυτό το αντικείμενο εξαφανίζεται τότε, κυριολεκτικά, από το ορατό πεδίο. Επειδή η βαρύτητα του πυρήνα είναι πάρα πολύ ισχυρή, ο πυρήνας βυθίζεται μέσα στη δομή του χωρόχρονου, δημιουργώντας μια τρύπα στο χωρόχρονο. Γι’ αυτό και τα αντικείμενα αυτά λέγονται μαύρες τρύπες.

Οι αστρικές μαύρες τρύπες δημιουργούνται όταν στα μεγάλα άστρα με πυρήνα πάνω από 20 ηλιακές μάζες γίνεται μια υπερκαινοφανής έκρηξη. Η εικόνα δεξιά δείχνει το κατάλοιπο μιας τέτοιας έκρηξης στον αστερισμό της Κασιόπειας

Ο πυρήνας της μαύρης τρύπας γίνεται το κεντρικό μέρος της μαύρης τρύπας, που λέγεται ιδιομορφία ή ανωμαλία. Το άνοιγμα της τρύπας ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων. Μπορούμε να σκεφτούμε τον ορίζοντα γεγονότων ως το στόμα της μαύρης τρύπας. Μόλις περάσει ένα σώμα τον ορίζοντα γεγονότων, μπορεί να θεωρηθεί ότι εξαφανίστηκε. Έτσι και εισήλθε μέσα στον ορίζοντα γεγονότων, όλα τα “γεγονότα” (τα σημεία του χωρόχρονου) σταματούν, και τίποτα (ακόμα και το φως) δεν μπορούν να δραπετεύσει.

Ιστορικά τώρα η ιδέα ενός αντικειμένου από το οποίο δεν θα μπορούσε να δραπετεύσει το φως (μαύρη τρύπα) προτάθηκε αρχικά από τον Pierre Simon Laplace το 1795, χρησιμοποιώντας τη θεωρία της βαρύτητας του Νεύτωνα. Ο Laplace υπολόγισε ότι εάν ένα αντικείμενο συμπιεζόταν σε μια αρκετά μικρή ακτίνα, τότε η ταχύτητα διαφυγής αυτού του αντικειμένου θα ήταν μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός.

Δημιουργία μαύρων οπών με πάρα πολύ μεγάλη μάζα

 Αριστερά: Μια γνωστή σύγκρουση δύο γαλαξιών – η Antennae

Γνωρίζουμε λίγα σχετικά με τη γέννηση των υπερβαρέων μαύρων οπών, που είναι χιλιάδες φορές βαρύτερες από μια αστρική και ζουν στα κέντρα των γαλαξιών. Η μία δυνατότητα δημιουργίας τους είναι από τη συγχώνευση πολλών αστρικών μαύρων οπών σε μια περίοδο δισεκατομμυρίων ετών.

Μια απλή αστρική μαύρη τρύπα μπορεί να αυξηθεί ταχύτατα καταναλώνοντας γειτονικά άστρα και αέριο κοντά στο κέντρο των γαλαξιών. Επίσης, μια μεγάλη μαύρη τρύπα μεγαλώνει μέσω συγχώνευσης της με άλλες μαύρες τρύπες που κατοικούν στο κέντρο των γαλαξιών. Για να συμβεί αυτό πρέπει να συγχωνεύονται οι γαλαξίες στους οποίους ανήκουν. Αυτό το σενάριο έχει επιβεβαιωθεί πρόσφατα σε παρατηρήσεις και υπολογιστικά μοντέλα.

Είναι γνωστό ότι η μάζα μιας υπερβαρέας μαύρης τρύπας στο κέντρο ενός γαλαξία είναι ανάλογη με τη μάζα του γαλαξία αυτού. Έτσι, υπάρχουν τέτοιες μαύρες τρύπες με μάζα ακόμα κι ένα δισεκατομμύριο φορές τη μάζα του ήλιου μας.

Συγκρούσεις μαύρων οπών

Εικόνα με τη βοήθεια υπολογιστή: Οι μαύρες τρύπες διαστρεβλώνουν το χωρόχρονο (κίτρινες γραμμές) και εκπέμπουν κύματα βαρύτητας καθώς αυτές κινούνται σπειροειδώς η μία ως προς την άλλη για να συγκρουστούν

Οι μαύρες τρύπες στα κέντρα των γαλαξιών που συγκρούονται και δημιουργούν έτσι ένα μόνο μεγάλο γαλαξία, συγκρούονται κι αυτές αναστατώνοντας το χωρόχρονο γύρω τους. Η παραμόρφωση αυτή δημιουργεί βαρυτικά κύματα που ίσως ανιχνευτούν αργότερα.

Βαρυτκός εστιασμός

Δεξιά: Μια προσομοίωση ενός βαρυτικού φακού που γίνεται με την βοήθεια μιας μαύρης τρύπας. Η τελευταία παραμορφώνει την εικόνα ενός γαλαξία που βρίσκεται πίσω στο φόντο.

Η παραμόρφωση του χωροχρόνου γύρω από ένα τεράστιο αντικείμενο αναγκάζει τις ακτίνες του φωτός να παρεκκλίνουμε από την ευθύγραμμη διάδοση όπως κάνει το φως που διέρχεται μέσα από ένα οπτικό φακό. Το φαινόμενο είναι γνωστό ως βαρυτικός εστιασμός, και έχει παρατηρηθεί για πολύ μεγάλης μάζας αντικείμενα, όπως οι γαλαξίες και τα σμήνη γαλαξιών. Δεν έχει όμως ποτέ παρατηρηθεί σε μια μαύρη τρύπα. Η παρατήρηση του εστιασμού με μία μαύρη τρύπα θα επιτρέψει να δοκιμαστεί η γενική σχετικότητα στην περιοχή κοντά στον ορίζοντα, όπου μέχρι τώρα δεν έχει αποδειχθεί ισχυρά. Ως εκ τούτου, θα ενισχύσει σημαντικά και υπόλοιπα αποδεικτικά στοιχεία για τις μαύρες τρύπες που εξαρτώνται αποφασιστικά από την προέκταση της γενικής σχετικότητας σε αυτή την περιοχή. Ο καλύτερος υποψήφιος για τις εν λόγω παρατηρήσεις θα είναι η υπερμεγέθης μαύρη τρύπα  SGR A* στο κέντρο του Γαλαξία μας, λόγω της μεγάλης μάζας της και λόγω της γειτονίας της.

Κάμψη των ακτίνων που έρχονται από ένα μακρινό αντικείμενο όταν περνούν δίπλα από ένα άστρο

Μικροσκοπικές μαύρες τρύπες

Το μοντέλο των βρανών των  Randall-Sundrum δηλώνει ότι το ορατό σύμπαν είναι μια βράνη που ενσωματώνεται μέσα σε έναν μεγαλύτερο σύμπαν, αλλά το σύμπαν των βρανών περιέχει μια πρόσθετη τέταρτη διάσταση του χώρου, συνολικά λοιπόν έχει πέντε διαστάσεις.

Η θεωρία των βρανών προβλέπει την ύπαρξη μικροσκοπικών μαύρων οπών που υπάρχουν σε όλο το σύμπαν, κατάλοιπα της Μεγάλης Έκρηξης. Χιλιάδες από αυτές πρέπει να υπάρχουν και στο ηλιακό σύστημά μας – αν υπάρχουν βέβαια. Η γενική σχετικότητα, αντίθετα, προβλέπει ότι τέτοιες αρχέγονες μαύρες τρύπες εξατμίστηκαν πολύ καιρό πριν. Οι προβλέψεις των ερευνητών λένε ότι αυτές οι μίνι μαύρες τρύπες είναι στο μέγεθος ενός ατομικού πυρήνα, αλλά έχουν μάζες παρόμοιες με ενός αστεροειδή.

Πώς μεγαλώνει μια μαύρη τρύπα;

 Αριστερά: Οι αστρικές μαύρες τρύπες αυξάνονται απορροφώντας αέριο από ένα συνοδό άστρο που περιστρέφεται γύρω της

Οι μαύρες τρύπες αυξάνουν τη μάζα τους συλλαμβάνοντας υλικό από την αστρική γειτονιά τους. Οτιδήποτε μπαίνει από τον ορίζοντα γεγονότων δεν μπορεί να δραπετεύσει από τη βαρύτητα της μαύρης τρύπας. Έτσι αντικείμενα που δεν έχουν μια ασφαλή απόσταση καταπίνεται.

Παρά τη φήμη τους, οι μαύρες τρύπες δεν θα απορροφήσουν αντικείμενα που είναι σε μεγάλες αποστάσεις. Μια μαύρη τρύπα μπορεί να συλλάβει μόνο τα αντικείμενα που έρχονται πολύ κοντά σε αυτήν. Παραδείγματος χάριν, φανταστείτε στη θέση του ήλιου μια μαύρη τρύπα της ίδιας μάζας. Στη Γη θα έπεφτε μόνιμο σκοτάδι, αλλά οι πλανήτες θα συνέχιζαν να περιστρέφονται γύρω από τη μαύρη τρύπα στην ίδια απόσταση και ταχύτητα όπως τώρα. Κανένας από τους πλανήτες δεν θα απορροφιόταν στη μαύρη τρύπα. Η Γη μας θα ήταν σε κίνδυνο μόνο εάν ερχόταν κοντά, περίπου 15 χιλιόμετρα, στη μαύρη τρύπα, πολύ λιγότερη από την πραγματική απόσταση της Γης από τον Ήλιο (150 εκατομμύρια χιλιόμετρα).

Η τροφή των γνωστών μαύρων οπών αποτελείται συνήθως από μεσοαστρικό αέριο και σκόνη, οι οποίες γεμίζουν το κενό διάστημα σε όλο το σύμπαν. Οι μαύρες τρύπες μπορούν επίσης να καταναλώσουν το υλικό που αποχωρίζεται από τα κοντινά τους αστέρια. Στην πραγματικότητα, οι πιο μεγάλες μαύρες τρύπες μπορούν να καταπιούν ένα σύνολο άστρων.

Αριστερά: Αέριο που πέφτει στη μαύρη τρύπα εγκαθίσταται στον δίσκο προσαύξησης, η τριβή και τα μαγνητικά πεδία στο δίσκο θερμαίνουν το αέριο και αυτό εκπέμπει ακτίνες-Χ

Οι μαύρες τρύπες μπορούν επίσης να μεγαλώσουν αν συγκρουστούν και συγχωνευτούν με άλλες μαύρες τρύπες. Κι αυτή η διαδικασία της αύξησης μπορεί να αποκαλύψει την παρουσία μιας μαύρης τρύπας. Καθώς το αέριο πέφτει προς μια μαύρη τρύπα, θερμαίνεται στις υψηλές θερμοκρασίες παράγοντας ισχυρά ραδιοκύματα και ακτίνες X, που μπορούν να μελετηθούν από τους αστρονόμους.

Δεξιά: ο γαλαξίας NGC 6240

Ο γαλαξίας αυτός φιλοξενεί δύο υπεβαρέες μαύρες τρύπες κοντά στο κέντρο του (μπλε κουκίδες στη δεξιά εικόνα), που μπορούν μια μέρα να συγκρουστούν. Μετά τη σύγκρουση θα συγχωνευτούν και θα παραχθούν βαρυτικά κύματα (αλλοιώσεις του χωρόχρονου).

Ο γαλαξίας Cygnus A βρίσκεται στον αστερισμό του Κύκνου (Cygnus) και σε απόσταση 730 εκατομμύρια έτη φωτός, είναι δε η φωτεινότερη ραδιοπηγή (γι αυτό και συνοδεύεται από το γράμμα Α. Η υπερβαρέα μαύρη τρύπα στο κέντρο της είναι 1 δισεκατομμύριο φορές βαρύτερη από τον Ήλιο. Αν και ο γαλαξίας αυτός είναι σχετικά απόμακρος (300 φορές πιο πέρα από το γαλαξία της Ανδρομέδας), μας εμφανίζεται ως η δεύτερη φωτεινότερη ραδιοπηγή σε ολόκληρο τον ουρανό. Κι αυτό επειδή η μαύρη τρύπα εκεί παράγει τεράστια ενέργεια καθώς καταναλώνει μεγάλα ποσά υλικού. Τα κοντινά ηλεκτρόνια επιταχύνονται σε αυτήν την διαδικασία, εκπέμποντας ισχυρά ραδιοκύματα, καθώς αυτά κινούνται σπειροειδώς προς τα έξω στα μαγνητικά πεδία.

Αριστερά: Οι δύο πίδακες που μεταφέρουν υλικό από την περιοχή της κεντρικής μαύρης τρύπας έξω από τον σπειροειδής γαλαξία Κύκνος Α, σχηματίζοντας δύο γιγάντιους λοβούς από την κάθε πλευρά του γαλαξία. Η εικόνα λήφθηκε με ραδιοκύματα

Τρισδιάστατος δίσκος συσσώρευσης ή προσαύξησης σχεδιασμένος με τη βοήθεια υπολογιστή.

Το γράφημα αυτό δείχνει κύματα κλονισμού που κινούνται σπειροειδώς – υλικό που στροβιλίζεται πάνω σε μια μαύρη τρύπα. Τέτοιοι δίσκοι συσσώρευσης είναι πηγές έντονων ακτίνων-X ακόμα και μέσα στο Γαλαξία μας. Συνήθως σχηματίζονται σε δυαδικά συστήματα, όπου ένα άστρο συνοδός γύρω από τη μαύρη τρύπα προσφέρει το υλικό που μεγαλώνει το συμπαγές αντικείμενο η ισχυρή βαρύτητα του οποίου σύρει τελικά το υλικό προς την επιφάνειά της. Για τα γνωστά δυαδικά συστήματα ακτίνων-X το μέγεθος του δίσκου συσσώρευσης κυμαίνεται μεταξύ της διαμέτρου του ήλιου (περίπου 1.400.000 χιλιόμετρα) και της διαμέτρου της τροχιάς της Σελήνης (800.000 χιλιόμετρα).

Ανακαλύπτοντας μια μαύρη τρύπα

Αναρωτιέστε μήπως πώς είναι δυνατόν να ανακαλύψουμε μια μαύρη τρύπα αφού δεν μπορούμε να την δούμε, δηλαδή πώς είναι δυνατό να δούμε “κάτι” που δεν εκπέμπει φως ή κάποιο άλλο είδος ακτινοβολίας;

Υπάρχουν τρεις τρόποι για την εύρεση μιας μαύρης τρύπας.

Μέθοδος 1 : Πολλές μαύρες τρύπες έχουν ορισμένα αντικείμενα γύρω τους, και βλέποντας τη συμπεριφορά των αντικειμένων αυτών μπορούμε να ανιχνεύσουμε την παρουσία μιας μαύρης τρύπας. Χρησιμοποιώντας έπειτα τις μετρήσεις της κίνησης των αντικειμένων (ταχύτητες κλπ) γύρω από μια πιθανή μαύρη τρύπα υπολογίζουμε τη μάζα της μαύρης τρύπας. Αυτό που ψάχνουμε είναι ένα άστρο ή ένας δίσκος αερίου που συμπεριφέρεται σαν να υπάρχει μια τεράστια μάζα κοντά του.

Οι μάζες στις υπερβαρέες μαύρες τρύπες στα κέντρα των γαλαξιών μπορούν συχνά να μετρηθούν χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο. Για παράδειγμα η μάζα της τεράστιας μαύρης τρύπας στο κέντρο του Γαλαξία μας υπολογίστηκε μετρώντας τις ταχύτητες των μοναχικών άστρων που στρέφονται γύρω της. Έτσι αποδείχθηκε ότι η μάζα της ήταν 3 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη του Ήλιου μας. Ενώ η μάζα της μαύρης τρύπας στο κέντρο του γαλαξία της Ανδρομέδας υπολογίστηκε μετρώντας τις μέσες ταχύτητες όλων των άστρων που ήταν σε τροχιά γύρω της. Ο υπολογισμός αυτός έδειξε ότι η μάζα της μαύρης τρύπας της Ανδρομέδας είναι 30 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από του Ήλιου μας.

Δεξιά: Άστρο σε τροχιά γύρω από μια αστρική μαύρη τρύπα, με δεκαπλάσια  μάζα. Το άστρο (κίτρινο χρώμα) κινείται στη μεγάλη τροχιά (κόκκινες κουκίδες), ενώ η μαύρη οπή σε μια μικρότερη τροχιά (πράσινες κουκίδες)

Στον πυρήνα του γαλαξία NGC 4261, υπάρχει ένας καφετής περιστρεφόμενος δίσκος, που σχηματίζει σπείρες. Ο δίσκος έχει μέγεθος σαν το ηλιακό μας σύστημα, αλλά ζυγίζει 1.2 δισεκατομμύρια φορές περισσότερο του ήλιου μας. Αυτή η τεράστια μάζα του δίσκου είναι ένδειξη ότι κάπου εκεί, μέσα στο δίσκο,  είναι παρούσα μια μαύρη τρύπα.

Μέθοδος 2 : Η Γενική Θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν πρόβλεψε ότι η βαρύτητα θα μπορούσε να κάμψει το χώρο. Αυτό επιβεβαιώθηκε αργότερα κατά τη διάρκεια μιας ηλιακής έκλειψης, όταν μετρήθηκε η θέση ενός αστεριού πριν από αυτήν, κατά τη διάρκεια της και μετά από την έκλειψη. Η θέση του αστεριού μετατοπίστηκε επειδή το φως από το άστρο κάμφθηκε από το πεδίο βαρύτητας του ήλιου. Επομένως, ένα αντικείμενο με τεράστια βαρύτητα (όπως λόγου χάριν ένας γαλαξίας ή μια μαύρη τρύπα) μεταξύ της Γης και ενός απομακρυσμένου αντικειμένου θα μπορούσε να κάμψει τη πορεία της ακτίνας του φωτός, από το απόμακρο αντικείμενο σε μια θέση-εστία, όπως κάνει και ένας οπτικός φακός. Αυτού του είδους η εστίαση λέμε ότι προκαλείται από βαρυτικούς φακούς.

Αριστερά: Οι νόμοι της βαρύτητας μας λένε για τη μάζα μιας μαύρης τρύπας, αν ξέρουμε την ταχύτητα και το μέγεθος της τροχιάς του άστρου

Για παράδειγμα, η άνοδος της λαμπρότητας του αντικειμένου MACHO-96-BL5 συνέβη όταν δημιουργήθηκε ένας βαρυτικός φακός ανάμεσα αυτού και της Γης. Όταν το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble κοίταξε στο αντικείμενο, είδε δύο εικόνες του αντικειμένου στενού μαζί, το οποίο έδειξε μια βαρύτητας επίδραση φακών. Το επεμβαίνοντας αντικείμενο ήταν απαρατήρητο. Επομένως, ολοκληρώθηκε ότι μια μαύρη τρύπα είχε περάσει μεταξύ της Γης και του αντικειμένου.

Μέθοδος 3 : Όταν κάποιο υλικό, για παράδειγμα αέριο από ένα συνοδό-άστρο, πέφτει σε μια μαύρη τρύπα, αρχίζει να θερμαίνεται σε εκατομμύρια βαθμούς Kelvin και να επιταχύνεται. Τα υπέρθερμα υλικά τότε εκπέμπουν ακτίνες-X, οι οποίες μπορούν να ανιχνευθούν από ειδικά τηλεσκόπια ακτίνων X, όπως είναι το διαστημικό παρατηρητήριο Chandra.

Επί προσθέτως με τις ακτίνες X, οι μαύρες τρύπες μπορούν επίσης να εκτινάξουν υλικά στο διάστημα με υψηλές ταχύτητες σχηματίζοντας κατά αυτό τον τρόπο πίδακες υλικού. Έχουν παρατηρηθεί πολλοί γαλαξίες με τέτοιους πίδακες. Αυτήν την περίοδο, θεωρείται ότι αυτοί οι γαλαξίες έχουν υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες (δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες) στα κέντρα τους, που παράγουν τόσον πίδακες όσο και ισχυρές ραδιοεκπομπές.

Τελικά, λόγω της αόρατης σε μας ακτινοβολίας μπορούμε να δούμε το περίγραμμα μιας μαύρης τρύπας.

Αυτό που συμβαίνει δηλαδή, όταν μια ποσότητα ύλης. οποιασδήποτε μορφής πλησιάσει μια μαύρη τρύπα δεν είναι αυτό που συμβαίνει όταν κάτι “πέφτει” σε μια κοινή τρύπα. Στην περίπτωση της μαύρης τρύπας η ύλη “απορροφάται” από αυτή και “εξομοιώνεται” με αυτήν. Ένας  πύραυλος. για παράδειγμα, πριν χαθεί για πάντα μέσα της, θα διαλυθεί και η ύλη του θα μεταβληθεί εκπέμποντας στα πρόθυρα μια ροή ακτίνων-Χ. ενώ στο εσωτερικό της μαύρης τρύπας δεν θα είναι πλέον ένας πύραυλος αλλά ένα αναπόσπαστο ομοούσιο μέρος της.

Μέθοδος 4 : Ένας άλλος τρόπος εντοπισμού είναι η παρατήρηση των διαταραχών στην κίνηση ενός μονού φαινομενικά άστρου. Αν, λοιπόν, κοντά σε ένα τέτοιο άστρο υπάρχει μια μαύρη τρύπα, αυτό είναι αναγκασμένο να συμπεριφερθεί σαν ένα διπλό αστρικό σύστημα. Γιατί παρ’ ότι το μέγεθος μιας μαύρης τρύπας είναι μηδαμινό, το βαρυτικό πεδίο της είναι πολλές φορές πιο ισχυρό από εκείνο του ορατού άστρου. Έτσι, το “μονό” αυτό άστρο μετατρέπεται σε “καβαλιέρο” μιας αόρατης “ντάμας”, της μαύρης τρύπας. Βρισκόμαστε, δηλαδή αντιμέτωποι με ένα παράξενο αστρικό ζευγάρι που αναγκάζεται να κινείται από τις βαρυτικές δυνάμεις που επικρατούν στο όλο σύστημα.

Η φυσική των μαύρων οπών

Ο χώρος της κλασικής Φυσικής χαρακτηρίζεται από τρεις διαστάσεις και περιγράφεται από τους νόμους της Γεωμετρίας του Ευκλείδη. Με την έλευση της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν οδήγησε στην καθιέρωση του τετραδιάστατου χωροχρόνου Minkowski. Η γεωμετρία όμως του χώρου Minkowski, παρέμεινε επίπεδη (τουλάχιστον μέσα στα πλαίσια της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας). Με την έλευση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, αναπτύχθηκαν νέα μαθηματικά εργαλεία που επέτρεψαν την περιγραφή μίας νέας μορφής χωροχρόνου, κοντά σε αντικείμενα μεγάλης μάζας, του καμπύλου χωροχρόνου.

Η περιγραφή της καμπύλωσης του χωροχρόνου γύρω από μία μεγάλη μάζα βασίζεται στον υπολογισμό μιας μαθηματικής ποσότητας, της μετρικής του χωροχρόνου. Οι εξισώσεις της γενικής σχετικότητας, εφόσον μπορούν να λυθούν για το εκάστοτε φυσικό σύστημα, επιτρέπουν τον υπολογισμό της μετρικής.

Επίσης, οι κλασσικές μαύρες τρύπες μπορούν να θεωρηθούν σχετικά χωρίς ιδιαίτερα χαρακτηριστικά, αλλά μπορούν να περιγραφούν από ένα σύνολο αισθητών παραμέτρων όπως είναι η μάζα, το φορτίο και η στροφορμή.

Μπορεί να είμαστε σε τροχιά ακίνδυνα γύρω από μια μαύρη τρύπα;

Είναι δυνατό να βρεθούμε κοντά σε μια μαύρη τρύπα χωρίς να πέσουμε μέσα της, υπό τον όρο ότι κινούμαστε πολύ γρήγορα. Το φαινόμενο αυτό είναι παρόμοιο με αυτό που συμβαίνει και στο ηλιακό σύστημα: Η Γη δεν πέφτει πάνω στον ήλιο επειδή κινείται γύρω από αυτόν με μια ταχύτητα περίπου 110 χιλιάδες χιλιόμετρα την ώρα. Αλλά οι τροχιές κοντά σε μια μαύρη τρύπα μπορούν να έχουν διάφορες ενδιαφέρουσες μορφές, ενώ εκείνες στο ηλιακό μας σύστημα είναι πάντα ελλειπτικές (και σχεδόν κυκλικές).

Υποθέστε ότι είστε κοντά σε μια μαύρη τρύπα και πετάτε με ένα διαστημόπλοιο για να την μελετήσετε από κοντά. Εάν ξεκινήσετε με πάρα πολύ μικρή ταχύτητα, θα κινηθείτε σπειροειδώς προς τη μαύρη τρύπα (αριστερή κάτω εικόνα). Εάν ξεκινήσετε πάρα πολύ γρήγορα, θα πετάξετε πολύ μακριά από αυτήν (δεξιά κάτω εικόνα).

Με ενδιάμεσες ταχύτητες θα μπείτε σε τροχιά γύρω από τη μαύρη τρύπα, αλλά με ένα περίπλοκο σχήμα (πάνω αριστερά).  Υπάρχει ακριβώς μια αρχική ταχύτητα που θα σας βάλει σε μια κυκλική τροχιά (δεξιά πάνω εικόνα)

Η τελευταία προσφέρει ένα σταθερό πλεονέκτημα εάν ξεκινάτε μακριά από τη μαύρη τρύπα, αλλά είναι όπως σαν τη ρωσική ρουλέτα εάν ξεκινήσετε πάρα πολύ κοντά. Σε αυτή την περίπτωση, ακόμη και η παραμικρή κίνηση στο σκάφος σας θα αλλάξει δραστικά την τροχιά σας. Μπορείτε να παρασύρετε μακριά από τη μαύρη τρύπα, αλλά εάν είστε άτυχοι θα κινηθείτε σπειροειδώς σε αυτήν.

Ζουν για πάντα οι μαύρες τρύπες;

Δεδομένου ότι τίποτα δεν μπορεί να δραπετεύσει από τη βαρυτική δύναμη μιας μαύρης τρύπας, μπορεί κάποιος να σκεφτεί ότι οι μαύρες τρύπες είναι αδύνατον να καταστραφούν. Αλλά τώρα ξέρουμε ότι οι μαύρες τρύπες στην πραγματικότητα εξατμίζονται, επιστρέφοντας αργά-αργά την ενέργειά τους στο σύμπαν.

Ο γνωστός φυσικός Stephen Hawking το απέδειξε αυτό κατά το 1974, χρησιμοποιώντας τους νόμους της κβαντομηχανικής για να μελετήσει την περιοχή κοντά σε έναν ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας. Έτσι, ο  Hawking έδειξε ότι οι μαύρες τρύπες ακτινοβολούν σαν έχουν μια θερμοκρασία ανάλογη προς την επιφανειακή βαρύτητα τους και επομένως εξατμίζονται όσο περνάει ο χρόνος.

Αυτή η ακτινοβολία του Hawking είναι απολύτως άσχετη για όλες τις μαύρες τρύπες που είναι γνωστό ότι υπάρχουν στο σύμπαν. Για αυτές, η θερμοκρασία της ακτινοβολίας είναι σχεδόν μηδέν και η ενεργειακή απώλεια είναι αμελητέα. Ο χρόνος που απαιτείται για αυτές τις μαύρες τρύπες να χάσουν ένα μεγάλο μέρος της μάζας τους είναι αφάνταστα μεγάλος. Αλλά για τις πολύ μικρές μαύρες τρύπες που κάποτε υπήρχαν στο σύμπαν, τότε τα συμπεράσματα του Hawking θα ήταν καταστροφικά. Μια μαύρη τρύπα με μάζα 10.000 κιλά θα εξαφανιζόταν μέσα σε μια φωτεινή λάμψη σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο.

Η κβαντική θεωρία που περιγράφει τη συμπεριφορά της ύλης στις μικρότερες κλίμακες, προβλέπει ότι μικροσκοπικά σωματίδια και φωτόνια δημιουργούνται αλλά και καταστρέφονται συνεχώς στις υποατομικές κλίμακες. Κάποια από τα φωτόνια που δημιουργούνται με αυτό τον τρόπο έχουν μια πολύ μικρή πιθανότητα να διαφύγουν προτού να καταστραφούν. Σε έναν ξένο παρατηρητή, αυτό μοιάζει σαν ο ορίζοντας γεγονότων να ακτινοβολεί. Η ενέργεια που μεταφέρεται από την ακτινοβολία μειώνει τη μάζα της μαύρης τρύπας έως ότου εξαφανιστεί εντελώς.

Δεξιά: Ο πραγματικός μηχανισμός της ακτινοβολίας Hawking

Ένα ζεύγος σωματιδίου (p) – αντισωματιδίου (a) φανερώνεται στην άκρη του ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας, γιατί  εικονικά σωματίδια δανείζονται ενέργεια από μια μαύρη τρύπα και γίνονται πραγματικά ακριβώς στην άκρη του ορίζοντα γεγονότων (δηλαδή στο όριο που χωρίζει το “εσωτερικό” από το “εξωτερικό” χώρο μιας μαύρης τρύπας). Το ένα όμως σωματίδιο χάνεται μέσα στη μαύρη τρύπα ενώ το άλλο διαφεύγει.

Πληροφορίες και μαύρες τρύπες

Πολλοί φυσικοί για δεκαετίες – μεταξύ των οποίων και ο Hawking – πίστευαν ότι αν πέσει κάτι μέσα σε μια μαύρη τρύπα, η πληροφορία που μεταφέρει το αντικείμενο χάνεται και δεν επιστρέφει ποτέ. Όπως ξέρουμε οι μόνες μετρήσιμες παράμετροι μιας μαύρης τρύπας είναι η μάζα, η στροφορμή και το φορτίο της. Οι φυσικοί έλεγαν πως ό,τι κι αν ρίξουμε μέσα της, χάνουμε όλες του τις πληροφορίες. Έτσι βγήκε και το ρητό ότι οι μαύρες τρύπες δεν έχουν μαλλιά – εννοώντας ότι έχουν χάσει όλες τους τις πληροφορίες, εκτός από τις τρεις παραπάνω ιδιότητες. Έβαλε δε πριν τριάντα τόσα χρόνια ένα στοίχημα με άλλους φυσικούς ότι είναι αδύνατο να διαρρεύσουν πληροφορίες μέσα από μια μαύρη τρύπα. Όποιος έχανε στο στοίχημα θα έδινε στον άλλον μια εγκυκλοπαίδεια που, σε αντίθεση με τις μαύρες τρύπες, επιτρέπει την άντληση πληροφοριών.

Η εξαφάνιση της πληροφορίας από το σύμπαν μας φαινόταν ότι ήταν μια αναπόφευκτη συνέπεια της θεωρίας του Αϊνστάιν. Παράλληλα, όμως, αντιβαίνει στις αρχές της κβαντομηχανικής, σύμφωνα με τις οποίες η πληροφορία δε χάνεται ποτέ, αλλά συνεχίζει να πλέει κάπου στο σύμπαν, ακόμη κι αν μια μαύρη τρύπα έχει καταπιεί το αρχικό αντικείμενο.

Οι περισσότεροι φυσικοί ήθελαν να πιστεύουν πως η πληροφορία δε χάνεται ποτέ, γιατί έτσι ο κόσμος μας γινόταν ασφαλής και προβλέψιμος. Όμως οι φυσικοί των χορδών επέμεναν ότι οι πληροφορίες δεν μπορούσαν να χαθούν και στοιχηματίζουν ότι τελικά θα μάθουμε πού πηγαίνουν οι πληροφορίες που χάνονται.

Τον Ιούλιο του 2004, σε μια αναπάντεχη μεταστροφή ο Hawking ανακοίνωσε ότι είχε κάνει λάθος για το πρόβλημα της πληροφορίας.  Επαναλαμβάνοντας κάποιους παλιότερους υπολογισμούς του, ο Χόκινγκ κατέληξε στο συμπέρασμα ότι αν ένα αντικείμενο, για παράδειγμα ένα βιβλίο, πέσει σε μια μαύρη τρύπα, μπορεί να διαταράξει το πεδίο ακτινοβολίας της, με αποτέλεσμα η πληροφορία να διαρρεύσει ξανά στο σύμπαν. Σε αυτή την περίπτωση, οι πληροφορίες που περιείχε το βιβλίο θα κωδικοποιούνταν στην ακτινοβολία που εκπέμπει αργά η μαύρη τρύπα, αλλά σε συγκεχυμένη μορφή. Η παραδοχή του οφειλόταν σε υπολογισμούς στηριγμένους στη θεωρία υπερχορδών, που δέχεται ότι υπό προϋποθέσεις μπορεί η πληροφορία να διαρρεύσει από το εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας.

Η δυναμική της μαύρης τρύπας

Η δυναμική της μαύρης τρύπας συνοψίζεται σε τέσσερις νόμους, που παρουσιάζουν εκπληκτική αναλογία με τους αντίστοιχους της συνήθους θερμοδυναμικής.

•  Ο νόμος 0 ορίζει ότι όλα τα σημεία του ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας σε ισορροπία έχουν την ίδια επιφανειακή βαρύτητα. Πρόκειται για μια εκπληκτική ιδιότητα αν σκεφθούμε ότι οι περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες είναι πεπλατυσμένες στους πόλους λόγω των φυγόκεντρων δυνάμεων. Όμως, για τα συνηθισμένα περιστρεφόμενα αντικείμενα, όπως η Γη, ξέρουμε πως η βαρύτητα είναι ισχυρότερη στους πόλους απ’ ό,τι στον ισημερινό. Αντίθετα, στον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας, όσο πεπλατυσμένη και αν είναι, δεν υπάρχει καμία μεταβολή της επιφανειακής βαρύτητας!

•  Ό νόμος 1 υπαγορεύει με ποιο τρόπο, σε κάθε μετατροπή μιας μαύρης τρύπας (που προκύπτει, για παράδειγμα, από τη σύλληψη ενός νέφους σωματιδίων ή ενός αστεροειδούς), η μάζα της, η ταχύτητα περιστροφής της και η στροφορμή της μεταβάλλονται σε συνάρτηση με το εμβαδόν και την επιφανειακή βαρύτητα της.

•  Ο νόμος 3 ορίζει ότι είναι αδύνατο να εκμηδενίσουμε την επιφανειακή βαρύτητα μιας μαύρης τρύπας με έναν πεπερασμένο αριθμό μετατροπών. Ένα παράδειγμα κατάστασης μαύρης τρύπας με αυστηρά μηδενική επιφανειακή βαρύτητα αποτελεί η «μέγιστη» μαύρη τρύπα του Kerr, η στροφορμή της οποίας προσεγγίζει την κρίσιμη τιμή. Ο 3ος νόμος διευκρινίζει ότι η μέγιστη μαύρη τρύπα είναι μια οριακή κατάσταση που δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί στη φύση. Ξεκινώντας από μια μαύρη τρύπα σε αργή περιστροφή, θα ήταν βεβαίως δυνατό να αυξήσουμε τη στροφορμή της ρίχνοντας μέσα σε αυτήν τεμάχια ύλης σε κατάλληλες τροχιές, αλλά η μέγιστη κατάσταση θα παρέμενε ανέφικτη.

•  Τέλος, ο νόμος 2 της δυναμικής της μαύρης τρύπας αποδεικνύει ότι το εμβαδόν μιας μαύρης τρύπας ποτέ δεν μπορεί να μειωθεί με την παρέλευση του χρόνου. Αν μια αυστηρά απομονωμένη μαύρη τρύπα διατηρεί μια σταθερή εντροπία, μόλις ύλη ή ακτινοβολία αιχμαλωτισθούν, η μαύρη τρύπα αυξάνει την επιφάνεια της. Επίσης, αν δύο μαύρες τρύπες συγκρουστούν, θα σχηματίσουν απαραίτητα μια ενιαία μαύρη τρύπα, το εμβαδόν της οποίας θα είναι μεγαλύτερο από το άθροισμα των εμβαδών που είχαν οι αρχικές μαύρες τρύπες.

Αυτό το θεμελιώδες αποτέλεσμα, που ανακάλυψε ο Steven Hawking, δείχνει τη στενή σύνδεση που υπάρχει ανάμεσα στο εμβαδόν της μαύρης τρύπας και την εντροπία ενός θερμοδυναμικού συστήματος. Και όπως έδειξε ο ισραηλινός φυσικός Jacomb Bekenstein πράγματι μια μαύρη τρύπα διαθέτει εντροπία.

Η μαύρη τρύπα είναι μια κοσμική φυλακή που εμποδίζει τη διαφυγή κάθε σωματιδίου και κάθε ακτινοβολίας – επομένως και κάθε πληροφορίας. Από την άλλη, όταν ένα υλικό σώμα εξαφανίζεται μέσα σε μια μαύρη τρύπα, η κατανόηση των εσωτερικών ιδιοτήτων του χάνεται για τον εξωτερικό παρατηρητή. Οι μόνες τιμές που παραμένουν είναι οι νέες τιμές της μάζας, της στροφορμής και του φορτίου της μαύρης τρύπας. Κατά συνέπεια, η μαύρη τρύπα καταβροχθίζει τις πληροφορίες. Άρα, θα πρέπει να έχει εντροπία. Όπως και στη θερμοδυναμική, η τελευταία θα πρέπει να μετράται με το συνολικό αριθμό των πιθανών εσωτερικών διαμορφώσεων που αντιστοιχούν σε μια δεδομένη εξωτερική κατάσταση, η οποία προσδιορίζεται από τις τρεις παραμέτρους της μαύρης τρύπας. Πράγματι, από το σχετικό υπολογισμό προκύπτει ένα αποτέλεσμα ανάλογο προς το εμβαδόν της μαύρης τρύπας.

Έτσι, η εντροπία μιας μαύρης τρύπας με μάζα ίση προς την ηλιακή είναι ένα δισεκατομμύριο δισεκατομμυρίων φορές μεγαλύτερη από την εντροπία του Ήλιου.

Μυστικά που κρύβουν οι μαύρες τρύπες

•  Τι μπορεί να συμβαίνει στον χώρο και στον χρόνο κοντά σε μια μαύρη τρύπα;

Στην άκρη μιας μαύρης τρύπας ο χρόνος θα πρέπει να φαίνεται ότι επιβραδύνεται έως και να σταματά, και εάν η μαύρη τρύπα περιστρέφεται, ο ίδιος ο ιστός του χώρου πρέπει να συστρέφεται, αναγκάζοντας κάθε κοντινό του αντικείμενο να συστρέφεται μαζί του. Οι αστροφυσικοί μπορούν να εξετάσουν αυτό το εχθρικό περιβάλλον παρατηρώντας την γειτονική ύλη που κινείται σπειροειδώς μέσα προς την τρύπα. Τα άτομα στην ύλη εκπέμπουν ακτινοβολία X, της οποίας οι παλμοί χρησιμεύουν ως τα ρολόγια που μπορούν να μας βοηθήσουν ώστε να μετρήσουμε ακριβώς τη ροή του χρόνου, αλλά και τη διαστρέβλωσης του χώρου. Αυτό το φως θα συλλεχθεί από την αποστολή της NASA Constellation-X, που θα μας αποκαλύψει για πρώτη φορά ποιές συνθήκες επικρατούν στην ίδια την άκρη μιας μαύρης τρύπας.

•  Πώς όμως οι μαύρες τρύπες δημιουργούν τέτοιους ισχυρούς πίδακες ενέργειας;

Μια μαύρη τρύπα είναι η αποδοτικότερη και η πιο ισχυρή μηχανή στον Κόσμο: Με κάποιο τρόπο, ένα μεγάλο μέρος της ύλης που πέφτει προς μια μαύρη τρύπα ωθείται αντίθετα προς τα έξω κοντά στην ταχύτητα του φωτός – ένα φαινόμενο που προκάλεσε μεγάλη έκπληξη στους αστρονόμους. Αυτοί οι πίδακες της ύλης φαίνονται να ξεκινάνε κοντά στην άκρη μιας μαύρης τρύπας, και πιθανώς τίθενται σε κίνηση από τα τεράστια μαγνητικά πεδία που παράγονται από την περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα. Η αποστολή Constellation-X θα εξετάσει την αλληλεπίδραση ανάμεσα στην ύλη, στα μαγνητικά πεδία, και τις μαύρες τρύπες, επιτρέποντας στους επιστήμονες να καταλάβουν πώς  θα μπορούσαν να δημιουργηθούν τέτοιες ισχυρές ακτίνες ύλης.

•  Ποιο ρόλο οι μαύρες τρύπες διαδραματίζουν στην εξέλιξη του σύμπαντος;

Σήμερα γνωρίζουμε ότι σχεδόν κάθε γαλαξίας έχει μια γιγάντια μαύρη τρύπα στο κέντρο του. Αυτές οι μαύρες τρύπες υπήρχαν πιθανώς όταν σχηματίστηκε ο ίδιος ο γαλαξίας και μπορεί να είχαν βοηθήσει στο σχηματισμό του γαλαξία. Εάν αυτό πράγματι ισχύει, τότε οι μαύρες τρύπες μπορούν να διαδραματίσουν έναν κεντρικό ρόλο στο σχηματισμό εκείνων των όρων στον Κόσμο που είναι απαραίτητοι για τη ζωή. Οι αρχικοί γαλαξίες στον Κόσμο δεν μπορούν να παρατηρηθούν με τα υπάρχοντα τηλεσκόπια, αλλά αυτό είναι μπορεί να αλλάξει: Το νέο διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb της NASA θα είναι σε θέση να ανιχνεύσει τους πρώτους γαλαξίες στο στάδιο του σχηματισμού τους – γαλαξίες το φως των οποίων θα χρειάζεται 13 δισεκατομμύρια έτη για να φθάσει στη Γη – έτσι η αποστολή Constellation-X θα παρατηρήσει και τις γιγαντιαίες μαύρες τρύπες που ζουν μέσα τους.

•  Οι μαύρες τρύπες στέλνουν κυματισμούς της βαρύτητας σε όλο το διάστημα;

Η θεωρία της βαρύτητας του Einstein προβλέπει ότι οι μαύρες τρύπες μπορούν να στείλουν κυματισμούς της βαρύτητας μέσω του ίδιου του χωροχρονικού ιστού. Η διαστημική αποστολή LISA της NASA, που προγραμματίζεται να πετάξει μέσα σε μια δεκαετία, πρέπει να είναι σε θέση να ανιχνεύσει αυτά τα κύματα της βαρύτητας – ενεργώντας ως ένα είδος κοσμικού “σεισμογράφου”. Πολλά Richter στην κλίμακα αυτών των κοσμικών σεισμών πρέπει να είναι η σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών, ή μιας μαύρης τρύπας με ένα άλλο αστέρι. Η δυνατότητα του LISA να ανιχνεύσει μαύρες τρύπες που συγκρούονται είναι μόνο το πρώτο βήμα στο ταξίδι της ανακάλυψής τους. Τα κύματα της βαρύτητας είναι ένα απολύτως νέο εργαλείο με το οποίο μπορούμε να ερευνήσουμε τον Κόσμο. Η αστρονομία των βαρυτικών κυμάτων συμπληρώνει την παραδοσιακή αστρονομία, και μπορεί να αποκαλύψει γεγονότα στον Κόσμο που δεν θα μπορούσε να εξερευνηθεί χρησιμοποιώντας το φως και τα συμβατικά τηλεσκόπια.

•  Μπορούμε να δούμε να σχηματίζεται μια μαύρη τρύπα;

Περίπου μία φορά την ημέρα, υπάρχει μια εκθαμβωτική λάμψη στον ουρανό. Δεν είναι μια λάμψη από ορατό φως, αλλά μια λάμψη ακτίνων γάμμα, μια ακτινοβολία υψηλής ενέργειας ακόμα ισχυρότερη και από τις ακτίνες-X. Αυτές οι εκλάμψεις των ακτίνων γάμμα, προέρχονται από την τεράστια έκρηξη ενός άστρου που γίνεται “σουπερνόβα”. Αυτό το γεγονός είναι το τελευταίο προτού ο πυρήνας του άστρου καταρρεύσει προς μία μαύρη τρύπα. Οι εκρήξεις ανιχνεύονται από το διαστημικό τηλεσκόπιο HETE της NASA, και το τελευταίο δίνει τη θέση τους σε άλλα τηλεσκόπια στο έδαφος και στο διάστημα για να μελετήσουν την έκλαμψη. Από αυτά τα τηλεσκόπια βλέπουμε την λάμψη που εξασθενίζει από το αστέρι που πεθαίνει, και βεβαιώνουμε έτσι τη γέννηση μιας μαύρης τρύπας.

Σήμερα τις εκρήξεις των ακτίνων γάμμα τις επισημαίνει πολύ γρήγορα η αποστολή Swift της NASA, επιτρέποντας έτσι να παρατηρηθεί λεπτομερώς μια μαύρη τρύπα στα πρώτα-πρώτα δευτερόλεπτα της ζωής της.

•  Τι να συμβαίνει άραγε μέσα σε μια μαύρη τρύπα;

Ο μόνος τρόπος να απαντηθεί αυτή η ερώτηση είναι να αναπτυχθεί μια καλύτερη, πιο θεμελιώδης θεωρία του χώρου, του χρόνου, και της ύλης. Δυστυχώς, η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν – που μας έδωσε την ιδέα των μαύρων οπών αρχικά – δεν προβλέπει ακριβώς τι συμβαίνει στις πολύ μικρότερες κλίμακες του χώρου. Παραδείγματος χάριν, όλα τα άτομα στο σώμα μας περιέχουν ηλεκτρόνια, όμως τα ηλεκτρόνια είναι τόσο μικρά και τόσο πυκνά που θα έπρεπε να σχηματίζουν μίνι μαύρες τρύπες. Προφανώς, αυτά δεν σχηματίζουν. Γιατί όμως όχι; Εάν οι νέες θεωρίες της φυσικής, όπως η “θεωρία χορδών,” είναι σωστές, τότε μπορούν να υπάρχουν πρόσθετες διαστάσεις του χώρου πέρα από τις τρεις διαστάσεις που βλέπουμε. Αυτές οι πρόσθετες διαστάσεις μπορούν να είναι σημαντικές στην εξήγηση της συμπεριφοράς της ύλης στις πολύ μικρές κλίμακες των αποστάσεων, συμπεριλαμβανομένου και αυτού που συμβαίνει στο κέντρο μιας μαύρης τρύπας.

Το τελευταίο είναι και η αξία των μαύρων οπών: να μας βοηθήσουν να καταλάβουμε πώς λειτουργεί το σύμπαν στο πιο βασικό επίπεδο. Στο μεταξύ, οι φυσικοί θα εξετάσουν τη συμπεριφορά των μικρότερων σωματιδίων στο γιγάντιο νέο επιταχυντή στο CERN, και οι αστρονόμοι θα ψάξουν για τη συμπεριφορά των μαύρων οπών στα όρια του διαστήματος. Και ακριβώς όπως όλα στη φύση συνδέονται κατά κάποιο τρόπο, έτσι επίσης συνδέονται και οι διάφοροι τομείς της επιστήμης.  Τελικά, οι πορείες σε αυτές τις εξερευνήσεις θα διασταυρωθούν και θα οδηγήσουν σε μια ενοποιημένη κατανόηση των μαύρων οπών – και σε μια ακόμα καλύτερη εκτίμηση αυτού του θαυμάσιου Κόσμου που γεννά τέτοια παράξενα πράγματα.

Ποιά είναι τα είδη των μαύρων οπών;

Οι μαύρες τρύπες φαίνονται συχνά πολύ διαφορετικές η μία από την άλλη. Αλλά αυτό συμβαίνει λόγω της ποικιλίας που υπάρχει στα περίχωρά τους. Οι ίδιες οι μαύρες τρύπες είναι όλες ίδιες, εκτός από τρεις χαρακτηριστικές ιδιότητες: τη μάζα τους, τη στροφορμή τους (εάν και πόσο γρήγορα περιστρέφεται γύρω από έναν άξονα), και το ηλεκτρικό φορτίο τους. Είναι εκπληκτικό ότι οι μαύρες τρύπες διαγράφουν εντελώς όλες τις άλλες σύνθετες ιδιότητες των αντικειμένων που καταπίνουν.

Οι αστρονόμοι μπορούν να μετρήσουν τη μάζα των μαύρων οπών όταν μελετούν το υλικό που είναι σε τροχιά γύρω τους. Μέχρι τώρα, έχουμε βρει δύο τύπους μαύρων οπών: τις αστρικές (μερικές φορές βαρύτερες από τον ήλιο μας) ή τις υπερμεγέθεις (περίπου τόσο βαριές όσο κι ένας μικρός γαλαξίας). Αλλά μπορεί να υπάρξουν και με άλλες μάζες. Παραδείγματος χάριν, οι πρόσφατες παρατηρήσεις δείχνουν ότι μπορούν να υπάρξουν μαύρες τρύπες με μάζες μεταξύ των αστρικών και των υπερμεγεθών μαύρων οπών ή ενδιάμεσης μάζας όπως λέγονται.

Οι μαύρες τρύπες μπορούν να περιστρέφονται γύρω από έναν άξονα, αν και η ταχύτητα περιστροφής δεν μπορεί να υπερβεί κάποιο όριο. Οι αστρονόμοι νομίζουν ότι πολλές μαύρες τρύπες στο σύμπαν πιθανώς περιστρέφονται, επειδή τα αντικείμενα από τα οποία οι μαύρες τρύπες σχηματίζονται (τα αστέρια παραδείγματος χάριν) περιστρέφονται επίσης. Οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν επίσης να είναι φορτισμένες. Εντούτοις, γρήγορα θα εξουδετερωνόταν το φορτίο τους λόγω της προσέλκυσης και της κατάποσης υλικού με αντίθετη πολικότητα. Έτσι οι αστρονόμοι θεωρούν ότι όλες οι μαύρες τρύπες στο σύμπαν είναι αφόρτιστες.

Όπως η Γη επειδή περιστρέφεται έχει εξογκωμένο τον Ισημερινό της έτσι και μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα Kerr έχει διογκωμένο τον ισημερινό της. Η διόγκωση αυξάνεται ανάλογα με τον ρυθμό περιστροφής της

Οι μαύρες τρύπες χωρίς φορτίο και μηδενικής στροφορμής  λέγονται μαύρες τρύπες Schwarzschild. Μαύρες οπές χωρίς φορτίο αλλά με στροφορμή διάφορη του μηδενός λέγονται μαύρες τρύπες Kerr. Οι μη περιστροφικές φορτισμένες μαύρες τρύπες καλούνται μαύρες τρύπες Reissner-Nordström. Οι φορτισμένες που συγχρόνως περιστρέφονται καλούνται μαύρες τρύπες Kerr-Newman. Και το θεώρημα των μαύρων οπών χωρίς τρίχες δείχνει ότι η μάζα, το φορτίο και η στροφορμή είναι οι μόνες ιδιότητες που μπορεί να κατέχει μια μαύρη τρύπα.

Τύπος μαύρης οπής	Μάζα	Στροφορμή	Φορτίο
Kerr	Μ > 0	J > 0	q = 0
Kerr-Newman	Μ > 0	J > 0
Reissner-Nordström	Μ > 0	J = 0
Schwarzschild	Μ > 0	J = 0	q = 0

Μαύρη τρύπα Schwarzschild

Προς τα τέλη του 1915 και μόλις ένα μήνα μετά τη δημοσίευση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας από τον Αϊνστάιν, ο Γερμανός αστρονόμος Karl Schwarzschild χρησιμοποίησε τις σχετικές εξισώσεις για τον υπολογισμό της μετρικής του χωροχρόνου γύρω από ένα σφαιρικά συμμετρικό, μη περιστρεφόμενο μαζικό σώμα χωρίς ηλεκτρικό φορτίο. Δηλαδή η λύση του Schwarzschild περιγράφει την καμπύλωση του χωροχρόνου γύρω από ένα σώμα που δεν επιτρέπει τη διαφυγή του φωτός, δηλαδή μίας μαύρης τρύπας. Η λύση Schwarzschild των εξισώσεων της γενικής σχετικότητας αναφέρεται στην απλούστερη δομή μιας μαύρης τρύπας, αυτής δηλαδή που χαρακτηρίζεται από μάζα, χωρίς ηλεκτρικό φορτίο ή στροφορμή.

Ο Schwarzschild υπολόγισε ότι όταν η ταχύτητα διαφυγής ενός σώματος γίνεται ίση με αυτήν του φωτός, τότε το αστρονομικό αντικείμενο έχει ακτίνα R_s = 2.96 φορές το λόγο M/Mo (όπου Mo η μάζα του ήλιου). Έτσι, αντικείμενο με ακτίνα μικρότερη της ακτίνας Schwarzschild, είναι μια μαύρη τρύπα. Ο σφαιρικός χώρος με ακτίνα R_s και κέντρο τη μαύρη τρύπα είναι ο ορίζοντας γεγονότων, γιατί ορίζει μία αόρατη περιοχή.

Η μαύρη τρύπα αυτή με την τεράστια συγκέντρωση μάζας προκαλεί και μία ακραία καμπύλωση του χωροχρόνου γύρω της. Μόνο το κέντρο της μαύρης τρύπας (το σημείο δηλαδή που η καμπύλωση του χωροχρόνου τείνει στο άπειρο) δεν είναι δυνατόν να περιγραφεί από τη μετρική του Schwarzschild. Η σφαιρική επιφάνεια σε απόσταση από το κέντρο αριθμητικά ίση με το διπλάσιο της μάζας της μαύρης τρύπας, ονομάζεται επιφάνεια Schwarzschiid ή απλά ορίζοντας γεγονότων και καθορίζει την επιφάνεια από την οποία η ταχύτητα διαφυγής είναι ίση με την ταχύτητα του φωτός.

Ο ορίζοντας είναι μια νοητή επιφάνεια γύρω από μια μαύρη τρύπα που ‘επιτρέπει’ την είσοδο οποιουδήποτε αντικείμενου ή ακτινοβολίας προς τη μοναδικότητα (singularity), το κέντρο δηλαδή της μαύρης τρύπας, όχι όμως και προς την αντίθετη κατεύθυνση. Στο εσωτερικό του ορίζοντα μίας μαύρης τρύπας η στρέβλωση του χωροχρόνου είναι τόσο έντονη που οι ρόλοι του χώρου και χρόνου αντιστρέφονται. Η συντεταγμένη δηλαδή της απόστασης στις τρεις χωρικές διαστάσεις αναφέρεται πια σε χρόνο. Ένα αποτέλεσμα της παράξενης αυτής συμπεριφοράς του χωροχρόνου είναι πως οποιοδήποτε αντικείμενο βρεθεί μέσα στον ορίζοντα μίας μαύρης τρύπας, δεν μπορεί να αποφύγει τη μοναδικότητα της γιατί απλά βρίσκεται στο «μέλλον» του. Όσο ανώφελο είναι να προσπαθεί να αποφύγει κανείς την αυριανή ημέρα, άλλο τόσο ανώφελο είναι να προσπαθεί να αποφύγει τη μοναδικότητα μίας μαύρης τρύπας αν βρεθεί στο εσωτερικό του ορίζοντα της.

Μαύρη τρύπα Kerr

Στο μεταξύ, η πρόοδος στην κατανόηση των αρχών της κβαντικής φυσικής και της φύσης των πυρηνικών αλληλεπιδράσεων προσέφερε το υπόβαθρο για την περαιτέρω ανάπτυξη των αρχικών αυτών ιδεών. Μία μαύρη τρύπα, ως το τελικό εξελικτικό στάδιο ενός άστρου με αρκετά μεγάλη μάζα, αναμένεται να χαρακτηρίζεται από ιδιοπεριστροφή. Ο λόγος γι’ αυτό είναι εύκολα κατανοητός: η μεγίστη πλειοψηφία των άστρων στο σύμπαν, από τα οποία προέρχονται οι μαύρες τρύπες, περιστρέφονται γύρω από τον άξονα τους. Ακόμα όμως και αν ο μηχανισμός με τον οποίο προκύπτει μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα είναι γνωστός, αυτό δεν βοηθά στην κατανόηση της επίδρασης που έχει το αντικείμενο αυτό στον χωροχρόνο γύρω του.

  Η περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα παρασέρνει γύρω της τον χωροχρονικό ιστό

Για τη μελέτη της δομής καθώς και του βαρυτικού πεδίου μιας περιστρεφόμενης μαύρης τρύπας απαιτούνται οι κατάλληλες λύσεις των εξισώσεων της γενικής σχετικότητας. Οι λύσεις αυτές είναι ιδιαίτερα δύσκολο να υπολογιστούν για περιοχές του χωροχρόνου που περιλαμβάνουν μάζα με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί το γεγονός πως χρειάστηκαν 50 σχεδόν έτη μετά τις λύσεις Schwarzschild για να υπολογιστεί η μετρική του χωροχρόνου για μία περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα χωρίς ηλεκτρικό φορτίο.

Αριστερά: Ο Νεοζηλανδός μαθηματικός Roy Kerr που πρώτος ανακάλυψε τις λύσεις των εξισώσεων της γενικής σχετικότητας, που περιγράφουν περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες

Το 1963, ο Νεοζηλανδός μαθηματικός Roy Kerr ανακάλυψε μία τέτοια λύση προωθώντας τη μελέτη αντικείμενων που αναμένεται να υπάρχουν στο Σύμπαν. Αναφέρεται επίσης ότι το 1965 η ερευνητική ομάδα του Ezra Newman κατόρθωσε να λύσει τις εξισώσεις του Αϊνστάιν για τη γεωμετρία του χωροχρόνου γύρω από μία περιστρεφόμενη και ηλεκτρικά φορτισμένη μαύρη τρύπα. Περαιτέρω ανάλυση απέδειξε πως η γεωμετρία αυτή των Kerr – Newman γύρω από μία μαύρη τρύπα με συγκεκριμένη μάζα, στροφορμή και ηλεκτρικό φορτίο, αποτελεί τη μόνη λύση των εξισώσεων του Αϊνστάιν γι αυτά τα δεδομένα.
Ας σημειωθεί ότι μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα – κατά Kerr – περιλαμβάνει και ένα δεύτερο νοητό κέλυφος, που ονομάζεται στατικό όριο και το οποίο στους πόλους περιστροφής της μαύρης τρύπας ταυτίζεται με τον ορίζοντα γεγονότων, ενώ έχει μέγιστη απόσταση στον ισημερινό του. Η περιοχή ανάμεσα στον ορίζοντα γεγονότων και το στατικό όριο ονομάζεται “εργόσφαιρα”, ενώ n μοναδικότητα δεν είναι ένα απλό σημείο αλλά ένας δακτύλιος. Κάθε σώμα που βρίσκεται μέσα από το στατικό όριο παρασύρεται σε περιστροφή γύρω από τη μαύρη τρύπα.

Δεν είναι λοιπόν. καθόλου παράξενο που μια μαύρη τρύπα αντιμετωπίζεται σήμερα ως ένα πραγματικά αδιανόητο ουράνιο αντικείμενο, όπου οι νόμοι της φυσικής αδυνατούν είτε να το περιγράψουν αναλυτικότερα είτε να προβλέψουν τι συμβαίνει στο εσωτερικό του.

Ο Roger Penrose το 1969 διατύπωσε την άποψη ότι όταν ένα σώμα μπει στην εργόσφαιρα και διασπαστεί τότε τμήμα του θα πέσει στη μαύρη τρύπα και θα απορροφηθεί, ενώ το υπόλοιπο μπορεί να βγει από την εργόσφαιρα με ενέργεια μεγαλύτερη της αρχικής. Είναι ο γνωστός μηχανισμός Penrose.

Εν συνεχεία, ο Igor Novikov που είναι διευθυντής του κέντρου θεωρητικής αστροφυσικής στην Κοπεγχάγη μελετά τις μαύρες τρύπες από τη σκοπιά της κβαντικής βαρύτητας, όπου όμως δεν έχει ακόμα μορφοποιηθεί κάποια καθολικά αποδεκτή θεωρία. Το κέντρο μιας μαύρης τρύπας – όπου η δομή του χωροχρόνου στρεβλώνεται τόσο πολύ ώστε να κατακερματίζεται σε ‘κβαντικές σταγόνες’ εμπίπτει ακριβώς στην περιγραφή που θα μπορούσε να επιτύχει μια ολοκληρωμένη θεωρία κβαντικής βαρύτητας. Ο Novikov μελετά τα τελευταία χρόνια την εσωτερική δομή των μαύρων οπών σε μια προσπάθεια δημιουργίας της θεωρίας που θα περιγραφεί τη δομή του Σύμπαντος. Πρόσφατα αποτελέσματα της ερευνητικής του εργασίας σχετικά με τον τρόπο που καταρρέουν οι γνωστοί νόμοι της Φυσικής στο κέντρο μιας μαύρης τρύπας, οδήγησαν τον Novikov στην άποψη ότι το ταξίδι προς το κέντρο της δεν είναι απαραίτητα τόσο καταστροφικό όσο πίστευε η επιστημονική κοινότητα μέχρι σήμερα.

Το 1965, ο P. Penrose απέδειξε το θεώρημα της μοναδικότητας, το οποίο λέει ότι μια μοναδικότητα ή ανωμαλία πρέπει να βρίσκεται μέσα σε κάθε συμπιεσμένο άστρο, και επομένως σε κάθε μαύρη τρύπα. Το 1969, οι Lifschitz, Khalatnikov, και Belinsky έδειξαν ότι η παλιρροιακή βαρύτητα ταλαντεύεται χαοτικά κοντά στην ανωμαλία. Βρήκαν επίσης τον ιδιαίτερο τύπο της ανωμαλίας, γνωστός από τα αρχικά τους BKL.

Οι μαύρες τρύπες μπορούν να πάλλονται, όπως αναγνωρίστηκε από τον Press (1971). Κατά τη διάρκεια της επόμενης δεκαετίας, οι παλμοί αποδείχθηκαν ότι μένουν πάντα σταθεροί χρησιμοποιώντας μεθόδους κλονισμού ή διαταραχής.

Και το 1974, ο Hawking πρότεινε ότι οι νόμοι της ακτινοβολίας των μαύρων οπών ήταν ισοδύναμοι με τους θερμοδυναμικούς νόμους. Έδειξε δε ότι η εντροπία μιας μαύρης τρύπας γίνεται:

Οι περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες μπορεί να έχουν μέχρι και το 29% της ενέργειας τους ως ενέργεια περιστροφής. Όταν ένα σφαιρικό, φορτισμένο ηλεκτρικά αστέρι συμπιεστεί για να σχηματίσει μια μαύρη τρύπα, το άστρο και άλλα σώματα που πέφτουν στη μαύρη τρύπα μπορούν να ταξιδέψουν από το εσωτερικό των οπών σε έναν άλλο σύμπαν, σύμφωνα με ορισμένους επιστήμονες

Τέλος, πολλοί ερευνητές πιστεύουν πως το κέντρο μιας μαύρης τρύπας δεν συρρικνώνεται στο «τίποτα» αλλά ότι από αυτό πηγάζει μία νέα περιοχή χωροχρόνου. Για παράδειγμα, ο Lee Smoun του Περιφερειακού ινστιτούτου στο Οντάριο του Καναδά και γνωστή φυσιογνωμία του χώρου της κβαντικής βαρύτητας υποστηρίζει πως οι μαύρες τρύπες δημιουργούν σύμπαντα – βρέφη όπου οι θεμελιώδεις σταθερές της Φυσικής έχουν ελαφρά διαφορετικές τιμές σε σχέση με το γνωστό Σύμπαν. Ο Novikov υποστηρίζει πως οι μοναδικότητες πληθωρισμού μάζας αποτελούν σημεία εισόδου για τέτοιες περιοχές. Εάν εισέλθει κανείς σε μία μαύρη τρύπα θα βρεθεί τελικά σε ένα διαφορετικό Σύμπαν. Άλλα σενάρια που υποστηρίζουν ερευνητές του χώρου όπως ο Amos Ori του Τεχνολογικού ινστιτούτου της Χάιφα στο ίσραήλ, μιλούν για την έξοδο του ταξιδιώτη από μία μαύρη τρύπα στο γνωστό Σύμπαν αλλά σε εντελώς διαφορετικό σημείο του χωροχρόνου.

Μαύρες τρύπες και θεωρία χορδών

Οι μαύρες τρύπες αποδεικνύονται σημαντικά “εργαστήρια” για να επιβεβαιωθεί η θεωρία των χορδών, επειδή τα φαινόμενα της κβαντικής βαρύτητας αποδεικνύονται σημαντικά ακόμη και για μεγάλες μακροσκοπικές τρύπες. Οι μαύρες τρύπες δεν είναι πραγματικά “μαύρες” δεδομένου ότι ακτινοβολούν! Χρησιμοποιώντας έναν ημικλασσικό συλλογισμό, ο Βρετανός φυσικός Stephen Hawking έδειξε ότι οι μαύρες τρύπες εκπέμπουν ένα θερμικό φάσμα της ακτινοβολίας στον ορίζοντα γεγονότων τους.

Καθώς η θεωρία χορδών είναι, μεταξύ άλλων, μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας, πρέπει να είναι σε θέση να περιγράψει τις μαύρες τρύπες με έναν συνεπή τρόπο. Στην πραγματικότητα υπάρχουν λύσεις μαύρων τρυπών που ικανοποιούν τις εξισώσεις χορδών της κίνησης. Αυτές οι εξισώσεις της κίνησης μοιάζουν με τις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας με μερικά πρόσθετα πεδία ύλης, που προέρχονται από τη θεωρία χορδών. Οι θεωρίες υπερχορδών έχουν, επίσης, μερικές ειδικές λύσεις μαύρων οπών που είναι οι ίδιες υπερσυμμετρικές, λόγω του ότι αυτές διατηρούν κάποια υπερσυμμετρία.

Ένα από τα πιο πρόσφατα χαρακτηριστικά αποτελέσματα στη θεωρία χορδών είναι η παραγωγή του τύπου  της εντροπίας Bekenstein-Hawking για τις μαύρες τρύπες, που λαμβάνονται υπολογίζοντας τις μικροσκοπικές καταστάσεις χορδών οι οποίες σχηματίζουν μια μαύρη τρύπα. Ο Bekenstein σημείωσε ότι οι μαύρες τρύπες υπακούουν σε έναν “νόμο του εμβαδού”, dM=Κ*dA, όπου Α είναι το εμβαδόν του ορίζοντα γεγονότων και Κ είναι μια σταθερά αναλογίας.

Επειδή η συνολική μάζα Μ μιας μαύρης τρύπας είναι ακριβώς η ενέργεια ηρεμίας της (rest energy), ο Bekenstein αναγνώρισε ότι αυτό ο νόμος είναι παρόμοιος με το θερμοδυναμικό νόμο για την εντροπία, dE=T*dS. Ο Hawking εκτέλεσε αργότερα έναν ημικλασικό υπολογισμό για να δείξει ότι η θερμοκρασία μιας μαύρης τρύπας δίνεται από τον τύπο T=4Κ (όπου Κ είναι μια σταθερά που την ονόμασε “επιφανειακή βαρύτητα). Επομένως, η εντροπία μιας μαύρης τρύπας πρέπει να γραφτεί ως S=A/4.

Αργότερα, οι φυσικοί Andrew Strominger και Cumrin Vafa, έδειξαν ότι αυτός ο ακριβής τύπος εντροπίας μπορεί να παραχθεί μικροσκοπικά (συμπεριλαμβανομένου του παράγοντα 1/4) με τον υπολογισμό του εκφυλισμού των κβαντικών καταστάσεων των σχηματισμών των χορδών και D-βρανών, που αντιστοιχούν στις μαύρες τρύπες στη θεωρία χορδών.

Αυτό είναι απόδειξη ότι οι D-βράνες μπορεί να δώσουν μια περιγραφή μικρής απόστασης ασθενούς σύζευξης ορισμένων μαύρων τρυπών!  Παραδείγματος χάριν, η κατηγορία μαύρων τρυπών που μελετώνται από τους Strominger και Vafa περιγράφονται από 5-βράνες, 1-βράνη και ανοικτές χορδές που ταξιδεύοντας από τη 1-βράνη όλες τυλίγονται σε ένα 5-διαστάσεων  δακτύλιο torus, που δίνει αποτελεσματικά ένα αντικείμενο δύο διαστάσεων– μια μαύρη τρύπα.

Η ακτινοβολία Hawking μπορεί επίσης να γίνει κατανοητή από την άποψη της ίδιας διαμόρφωσης, αλλά με τις ανοικτές χορδές που ταξιδεύουν και στις δύο κατευθύνσεις.  Οι ανοικτές χορδές αλληλεπιδρούν, και η ακτινοβολία εκπέμπεται υπό μορφή κλειστών χορδών.  Το σύστημα αποσυντίθεται όπως δείχνεται πιο πάνω στο σχήμα.

Σαφείς υπολογισμοί δείχνουν ότι για ορισμένους τύπους υπερσυμμετρικών μαύρων οπών, η θεωρία χορδών συμφωνεί με την ημικλασσική απάντηση της υπερβαρύτητας συμπεριλαμβανομένων μη μηδενικών λύσεων συχνοτήτων εξαρτημένων διορθώσεων, τις λεγόμενες greybody παράγοντες. Αυτή είναι μια ακόμα απόδειξη ότι η θεωρία χορδών είναι μια συνεπής και ακριβής θεμελιώδης θεωρία της κβαντικής βαρύτητας.

Οι σκουληκότρυπες

Οι σκουληκότρυπες είναι λύσεις στις εξισώσεις πεδίου για τη βαρύτητα του Αϊνστάιν που ενεργούν ως “σήραγγες”, συνδέοντας σημεία του χωρόχρονου κατά τέτοιο τρόπο ώστε το ταξίδι μεταξύ των σημείων μέσω της σκουληκότρυπας να μπορεί να διαρκέσει πολύ λιγότερο χρόνο από όσο το ταξίδι μέσω του συνηθισμένου χώρου.

Οι πρώτες σκουληκότρυπες βρέθηκαν με τη μελέτη της μαθηματικής λύσης για τις μαύρες τρύπες. Εκεί διαπιστώθηκε ότι η γεωμετρική ερμηνεία της λύσης αυτής έμοιαζε με το σχήμα δύο μαύρων οπών (δύο στομάτων) που συνδέθηκαν με έναν “λαιμό” (γνωστή ως γέφυρα Einstein-Rosen). Ο λαιμός είναι ένα δυναμικό αντικείμενο που συνδέεται με τις δύο μαύρες τρύπες που πιάνονται εξαιρετικά γρήγορα με μια στενή σύνδεση μεταξύ τους.

Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι σκουληκότρυπων που ενδιαφέρουν τους φυσικούς: Οι Λορεντζιανές (Lorentzian) σκουληκότρυπες (από τη Γενική Σχετικότητα) και οι Ευκλείδιες σκουληκότρυπες (από την σωματιδιακή φυσική). Οι Λορεντζιανές σκουληκότρυπες είναι ουσιαστικά οι συντομότεροι δρόμοι μέσω του χώρου και του χρόνου. Μελετώνται κυρίως από τους εμπειρογνώμονες στη βαρύτητα του Αϊνστάιν, και εάν υπάρχουν στην πραγματική ζωή θα ήταν περισσότερο ή λιγότερο παρόμοιες με τη σκουληκότρυπα στο Star Trek: Deep Space 9.  Οι Λορεντζιανές έρχονται σε δύο τύπους: Αυτή που συνδέει δύο σύμπαντα – το δικό μας με ένα άλλο – και αυτή που συνδέει δύο απομακρυσμένα μέρη του ίδιου σύμπαντος.

Οι καλές ειδήσεις για τις Λορεντζιανές σκουληκότρυπες είναι ότι, μετά από περίπου δέκα πέντε έτη σκληρής εργασίας, δεν μπορούμε να αποδείξουμε ότι δεν υπάρχουν. Οι κακές ειδήσεις είναι ότι είναι πολύ παράξενα αντικείμενα: Εάν υπάρχουν χρειάζονται μεγάλα ποσά αρνητικής μάζας για να κρατηθούν ανοικτές και να εμποδιστούν από την κατάρρευση. (προσοχή η αρνητική μάζα δεν είναι αντι-ύλη, είναι μια περιοχή όπου η ενέργεια του κόσμου είναι μικρότερη από αυτή του συνηθισμένου κενού -σίγουρα παράξενης ουσίας). Μπορούμε να πάρουμε μικρά ποσά αρνητικής ενέργειας στο εργαστήριο (με το φαινόμενο Casimir), αλλά δεν μπορούμε να πάρουμε με τις παρούσες τεχνολογίες, μεγάλα ποσά αρνητικής ενέργειας, τέτοια που απαιτούνται για να κρατήσουμε σε ένα κανονικό μέγεθος την Λορεντζιανή σκουληκότρυπα. Άστε που μπορούν να υπάρχουν βαθιά ζητήματα της αρχής που αποτρέπει από εμάς να συλλέξουμε πολλή αρνητική ενέργεια σε μια θέση.

Τι ακριβώς προκαλεί όμως μια μαύρη τρύπα στο χωροχρόνο; Η Σχετικότητα προβλέπει ότι το κέντρο μιας μαύρης τρύπας είναι ένα σημείο άπειρης πυκνότητας (μια χωροχρονική ανωμαλία) όπου οι συνηθισμένοι νόμοι της Φυσικής δεν ισχύουν πλέον. Ο χρόνος, ο χώρος, η ύλη και η ενέργεια δεν έχουν στην περιοχή μιας ανωμαλίας καλά καθορισμένο νόημα. Οι εξισώσεις του Einstein δείχνουν ότι μια τέτοια ανωμαλία δεν προκαλεί απλά μια λακκούβα στο φανταστικό επίπεδο φύλλο του χωροχρόνου, αλλά δημιουργεί ένα τούνελ που τρυπάει το επίπεδο φύλλο και στιγμιαία μας συνδέει με την άλλη του πλευρά.
Που βρίσκεται η άλλη του πλευρά; Μπορεί να βρίσκεται κάπου αλλού στο χωροχρόνο, είτε στο παρελθόν είτε στο μέλλον ή ακόμη να βρίσκεται και σε ένα άλλο Σύμπαν. Αν μπορούσατε να περάσετε ένα διαστημόπλοιο μέσα από ένα τέτοιο τούνελ ή αλλιώς σκουληκότρυπα όπως λέγεται, θα είχατε ανακαλύψει το μυστικό των ταξιδιών στο χρόνο. Κάτι τέτοιο είναι φυσικά αδύνατο με την παρούσα τεχνολογία αλλά στο μέλλον ποιος ξέρει;

Λευκές τρύπες

Οι εξισώσεις της γενικής σχετικότητας έχουν μια ενδιαφέρουσα μαθηματική ιδιότητα: είναι συμμετρικές στον χρόνο. Αυτό σημαίνει ότι μπορείτε να πάρετε οποιαδήποτε λύση των εξισώσεων και να φανταστείτε ότι ο χρόνος ρέει προς τα πίσω κι όχι προς τα εμπρός, και θα φτάσετε σε μια άλλη έγκυρη λύση στις εξισώσεις. Εάν εφαρμόσετε αυτόν τον κανόνα στις λύσεις των εξισώσεων της γενικής σχετικότητας, που περιγράφουν τις μαύρες τρύπες, παίρνετε ένα αντικείμενο γνωστό ως λευκή τρύπα. Επειδή μια μαύρη τρύπα είναι μια περιοχή του διαστήματος από την οποία τίποτα δεν μπορεί να δραπετεύσει, η αντίστροφη στον χρόνο έκδοση μιας μαύρης τρύπας είναι μια περιοχή του διαστήματος στην οποία τίποτα δεν μπορεί να περιέλθει μέσα. Στην πραγματικότητα, όπως ακριβώς μια μαύρη τρύπα μπορεί να απορροφήσει μόνο πράγματα προς αυτήν, μια λευκή τρύπα μπορεί να βγάλει μόνο αντικείμενα προς τα έξω.

Οι λευκές τρύπες είναι μια τέλεια έγκυρη μαθηματική λύση στις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι υπάρχουν πραγματικά στη φύση. Στην πραγματικότητα, αυτές σχεδόν βέβαια δεν υπάρχουν, επειδή δεν υπάρχει κανένας τρόπος να παραχθούν. Η παραγωγή μιας λευκής τρύπας είναι εξίσου αδύνατη με την καταστροφή μιας μαύρης τρύπας, δεδομένου ότι οι δύο διαδικασίες είναι χρονικά αντίστροφες, η μία με την άλλη.

Αναφορές: Περισκόπιο, BBC, Scientific American, Ένα αστέρι πεθαίνει, Παράλληλοι Κόσμοι (Michio Kaku) και η ιστοσελίδα http://cosmology.berkeley.edu/Education/BHfaq.html