Ένα γαλαξιακό κεντρικό μυστήριο

Από σελίδα της NASA, 21 Φεβρουαρίου 2002

Ανωτέρω: Μια εικόνα με τη βοήθεια του διαστημικού παρατηρητηρίου Chandra των ακτίνων-X, της κεντρικής περιοχής του Γαλαξία μας. Μια υπερ-ογκώδης μαύρη τρύπα κρύβεται μέσα στο φωτεινό άσπρο τετράγωνο κοντά στο κέντρο της εικόνας. Οι συνθήκες στην κεντρική περιοχή του γαλαξία μας είναι εντυπωσιακά διαφορετικές από οπουδήποτε αλλού. Στον ίδιο τον πυρήνα του γαλαξία μας βρίσκεται ένα αστρονομικό αντικείμενο που λέγεται  Sagittarius Α. Θεωρείται ότι είναι μια υπερ-μεγέθης μαύρη τρύπα περίπου 2,6 εκατομμύρια φορές τη μάζα του ήλιού μας.

Οι αστρονόμοι έμαθαν τελικά ότι στο κέντρο του δικού μας Γαλαξία βρίσκεται μια μαύρη τρύπα που από καιρό την έψαχναν. Αλλά η εύρεση της έχει δημιουργήσει ακόμη περισσότερα ερωτηματικά από όσα υπήρχαν πριν.

Στις πιό μυστηριώδεις ιστορίες των ντεντέκτιβ, το μυστήριο εμβαθύνεται ακόμη καθώς η πλοκή αποκαλύπτει περισσότερες ενδείξεις. Έτσι και στην πραγματική ζωή των αστροφυσικών που ψάχνουν στο κέντρο του Γαλαξία μας. Είχαν ελπίσει ότι το διαστημικό παρατηρητήριο Chandra των ακτίνων -X, της NASA,  θα αποκάλυπτε μια μαύρη τρύπα που από καιρό την έψαχναν,  σε εκείνο το σημείο   -- και πράγματι αυτό συνέβη. Αλλά οι αποκαλύψεις του Chandra έχουν δημιουργήσει νέα ερωτήματα που μπλέκουν τους επιστήμονες ίσως ακόμη και περισσότερο από πριν.

Μια μαύρη τρύπα είναι ένα αντικείμενο με τόσο μεγάλη μάζα και τόσο συμπαγές, που ακόμη και το φως το ίδιο δεν μπορεί να δραπετεύσει από την ιλιγγιώδη βαρύτητά του. Για δεκαετίες, οι θεωρητικοί έχουν υποστηρίξει ότι τα γιγαντιαία αστέρια (αυτά που έχουν τουλάχιστον 10 φορές πιό μεγάλη μάζα από τον ήλιό μας) συνήθως τελειώνουν τις ζωές τους ως σουπερνόβες -- καταστροφικές εκρήξεις που "ψεκάζει" ύλη πολλά έτη φωτός μέσω του διαστρικού διαστήματος, αφήνοντας πίσω μόνο ένα πυκνό υπόλοιπο του αρχικού αστεριού. Εάν το υπόλοιπο υπερβεί, περίπου, τις 3 ηλιακές μάζες, θα γίνει μια μαύρη τρύπα.

Το 1974, ο Βρεταννός αστρονόμος Sir Martin Rees πρότεινε ότι οι υπερογκώδεις μαύρες τρύπες -- αυτές με ένα εκατομμύριο ή ακόμα και δισεκατομμύριο ηλιακές μάζες -- μπορεί να υπάρξουν μέσα στα κέντρα μερικών γαλαξιών. Οι γαλαξίες που είχε κατά νου, έχουν εντυπωσιακά ενεργούς πυρήνες (κέντρα) που λάμπουν τόσο λαμπερά όπως 30 δισεκατομμύρια ή και περισσότερους ακόμη ήλιους. Καίγονται, τρέμοντας ασταθώς, σε όλα τα μήκη κύματος από τα ραδιοφωνικά έως τις ακτίνες γάμμα, και ξερνώντας ισχυρούς πίδακες φορτισμένων σωματιδίων στο διάστημα. Ο Rees διαλογίστηκε ότι οι μαύρες τρύπες καταπίνοντας την ύλη ήταν οι πηγές τέτοιας αναταραχής.

"Δεν υπάρχει καμιά άλλη αιτία που μπορούμε να σκεφτούμε, με ποιό τρόπο αυτός ο ενεργός γαλαξιακός πυρήνες (AGNs) θα μπορούσε να βγάλει προς τα έξω, τόσο πολλή ενέργεια," λέει ο Donald Kniffen, ένας επιστήμονας του προγράμματος Chandra, στην έδρα της NASA. "Η μόνη αποδεκτή θεωρία είναι οι μαύρες τρύπες". Επιπλέον, υπάρχει μια αυξανόμενη συνειδητοποίηση ότι οι ενεργοί γαλαξίες δεν είναι οι μόνοι που ελλιμενίζουν τέτοια "τέρατα στο κέντρο τους". Ακόμη και οι συνηθισμένοι γαλαξίες, όπως ο Γαλαξίας μας, έχουν επίσης.

Το 1974, καθώς ακόμη και ο Rees σκεπτόταν για τις μαύρες τρύπες στους ενεργούς γαλαξίες, οι Αμερικανοί ραδιο-αστρονόμοι Bruce Balick και Robert Brown παρατηρούσαν το σχετικά ήρεμο κέντρο του Γαλαξία μας. Εκεί ανακάλυψαν μια συμπαγή και μεταβλητή ραδιο-πηγή που έμοιαζε σαν ένα εξασθενημένο κβάζαρ -- ένας τύπος μακρινού ενεργού γαλαξιακού πυρήνα, AGN, που οι αστρονόμοι τα βρίσκουν συνήθως κοντά στην άκρη του αισθητού σύμπαντος. Αλλά αυτό το αντικείμενο ήταν "μόνο" 26.000 έτη φωτός μακριά, στην κοσμική μας αυλή! Επειδή  αυτό εμφανίστηκε να είναι μέσα σε μια μεγάλη, εκτεταμένη ραδιο-πηγή,  ήδη γνωστή ως Sagittarius Α, το ονόμασαν Sagittarius Α*.

Αριστερά : Τα τηλεσκόπια των ακτίνων-X όπως το παρατηρητήριο Chandra των ακτίνων-X  μπορούν να ανιχνεύσουν τη φλογερή πυράκτωση από το υπέθερμο αέριο που στροβιλίζεται μέσα σε μια μαύρη τρύπα.

Κατά τη διάρκεια των επόμενων δύο δεκαετιών, οι αστροφυσικοί παρατήρησαν προσεκτικά την πηγή Sagittarius Α* στα ραδιο, οπτικά, και τα εγγύς των υπέρυθρων μήκη κύματος. Η παράτολμη ταχύτητα (μέχρι 1400 χλμ/δευτερόλεπτο) του αερίου και των αστεριών που στροβιλίζονται γύρω από το κέντρο του Γαλαξία μας άρχισε να τους πείθει ότι κάτι μικρό, όμως με μεγάλη μάζα, -- περίπου 2.6 εκατομμύρια ηλιακές μάζες -- κρυβόταν πράγματι στο κέντρο του Γαλαξία μας. Ήταν αυτό μια υπερ-μαζώδης μαύρη τρύπα, ή πράγματι εκατομμύρια, πολύ κοντά το ένα με το άλλο, συνηθισμένα αστέρια;

Μόνο οι παρατηρήσεις των ακτίνων-X θα μπορούσαν να μας δώσουν τα οριστικά στοιχεία -- για δύο λόγους, ο ένας επειδή οι ακτίνες-X είναι μια χαρακτηριστική τελική σιωπηλή κραυγή της ύλης καθώς καταπίνεται μια για πάντα από μια μαύρη τρύπα, και δεύτερον γιατί μόνο οι ακτίνες-X μπορούν να διαπεράσουν το παχύ αέριο και τη σκόνη που κρύβουν από την άμεση θέαση μας του γαλαξιακού κέντρου. Κατά συνέπεια, οι παρατηρήσεις αυτές επρόκειτο να είναι οι πρώτες για την ανίχνευση  ακτίνων-X από το Sagittarius Α *.

Ακριβώς μερικούς μήνες μετά από την έναρξή του τον Ιούλιο του 1999, ο Chandra το πέτυχε. Το μεγάλο παρατηρητήριο είχε επισημάνει μια πηγή ακτίνων-X που συνέπεσε με τον Sagittarius Α *. Οι αστροφυσικοί, αναγγέλλοντας τα συμπεράσματά τους τον Ιανουάριο του 2000, ήταν ενθουσιώδες με αυτά τα παρατηρητικά στοιχεία για μια υπερμαζώδη μαύρη τρύπα, στον πυρήνα του Γαλαξία μας. Μόνο υπήρχε ένα πρόβλημα: Η ένταση των των ακτίνων- X ήταν μόνο το ένα πέμπτο της έντασης που πρόβλεπε η θεωρία. Με άλλα λόγια, η πηγή Sagittarius Α * ήταν εξασθενημένη -- περίεργο, δεδομένου ότι οι ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες είναι τόσο λαμπροί.

Δεξιά: Εικόνες του παρατηρητηρίου των ακτίνων- X Chandra, των Sagittarius Α και Α*.  [δείτε περισσότερα]

Τι άλλο θα μπορούσε να σημαίνει η απόκλιση της έντασης;

Οι ακόλουθες παρατηρήσεις των ραδιο και των ακτίνων-X, οδήγησαν τους αστρονόμους σε μια απάντηση: Δέκα χιλιάδες έτη πριν ένα σουπερνόβα εξερράγη πολύ κοντά στον Sagittarius Α *. Τα πολύ γρήγορα διαστελλόμενα αέρια απομάκρυναν μακριά ένα μεγάλο μέρος του τοπικου διαστρικού αερίου και της σκόνης, αποτρέποντας το υλικό από το να εισέλθουν στην πολύ μεγάλη μαύρη τρύπα του Γαλαξία μας, και με αυτόν τον τρόπο "λιμοκτονώντας" την. Όσο λιγότερο υλικό περιέρχεται στη μαύρη τρύπα, τόσο λιγότερες ακτίνες- X εκπέμπονται.

Εντούτοις, κάποιο υλικό ακόμα πέφτει μέσα. Το 2001, μόλις πριν από το άγρυπνο μάτι των ακτίνων-X του Chandra, το Sagittarius Α * ξαφνικά ελάμπρυνε. Μέσα σε μερικά λεπτά η ένταση του έγινε 45 φορές η κανονική του. Κατόπιν όμως εξασθένισε πίσω στο επίπεδο της προ-φωτεινότητας, περίπου τρεις ώρες αργότερα. Η ενέργεια που ελευθερώθηκε αντιστοιχούσε σε μια μαύρη τρύπα που έχει καταπιεί ξαφνικά ένα χοντρό κομμάτι υλικού με τη μάζα ενός κομήτη ή ενός αστερεοειδή!

Επιπλέον, από τον συγκεκριμένο τρόπο που οι ακτίνες X ελάμπρυναν και εξασθένισαν, οι αστροφυσικοί υπολόγισαν ότι ο Sagittarius Α * ήταν περίπου μόνο 15 εκατομμύρια χιλιόμετρα μακρυά -λιγότερο από το ένα τέταρτο της διάμετρου της τροχιάς του πλανήτη Ερμή γύρω από τον ήλιό μας. Αυτά τα παρατηρητικά στοιχεία του μικρού μεγέθους συνδέθηκαν με την τεράστια μάζα και φάνηκαν να στερεώνουν την περίπτωση για την ύπαρξή μιας μαύρης τρύπας με τεράστια μάζα.

Αριστερά: Η γρήγορη κίνηση των αστεριών στο κεντρικό μέρος, έτη φωτός σε μήκος, του Γαλαξία μας, οφείλεται στην βαρύτητα μιας υπερμεγέθους μαύρης τρύπας. Το κίτρινο σημάδι αντιπροσωπεύει τη θέση του Sagitarrius Α *. [περισσότερο]

Ακόμα όμως, παραμένει ένα βασικό μυστήριοι: Από που προήλθε η υπερμαζώδης μαύρη τρύπα του Γαλαξία μας; Από που προήλθε αυτή η ύλης;

"Αυτές είναι άριστες ερωτήσεις," δηλώνει ο Kniffen. "Οι θεωρητικοί είναι μπερδεμένοι πάνω σε αυτά τα θέματα. Μια σκέψη είναι ότι οι υπερμαζώδεις μαύρες τρύπες διαμορφώθηκαν όταν διαμορφώθηκαν αρχικά και οι γαλαξίες. Μια άλλη σκέψη είναι ότι μια μαύρη τρύπα που προέρχεται από αστρική μάζα θα μπορούσε να αρχίσει να προσαυξάνεται με ύλη και να αυξηθεί τελικά σε μια υπερμαζώδη. Μια τρίτη δυνατότητα είναι ότι οι υπερμαζώδεις μαύρες τρύπες αυξάνονται από τα σμήνη των μικρότερων μαύρων τρυπών που συγχωνεύονται."   Ή ίσως είναι εντελώς κάτι άλλο.

Πρόσφατα, ο Chandra μπορεί να έχει ανακαλύψει μια σημαντική σύνδεση μεταξύ των μαύρων τρυπών που προέρχονται από άστρα, και του υπερμαζώδους τύπου: μια μαύρη τρύπα με 500 ηλιακές μάζες, στον κοντινό ανώμαλο γαλαξία M82. Αλλά είναι μπερδεμένο, επίσης, επειδή η μαύρη τρύπα δεν είναι κεντροθετημένη στον πυρήνα του M82. Τελικά "θα βυθιστεί" στο κέντρο του M82 και θα τείνει να γίνει μια υπερμαζώδης μαύρη τρύπα; Κανένας δεν ξέρει.

Και έτσι το μυστήριο συνεχίζεται. Σε κάθε στροφή μια άλλη ένδειξη εμφανίζεται, μερικές ερωτήσεις απαντιούνται, και νέες παίρνουν τη θέση τους. "Μόλις γρατσουνίζουμε την επιφάνεια αυτού του θέματος," λέει ο Kniffen.

Τελικές απαντήσεις θα είχαμε μόνο εάν ο Sherlock Holmes ήταν αστρονόμος...