Στο γαλαξία της Ανδρομέδας κρύβονται αστρικές μαύρες τρύπες

Από την ιστοσελίδα της Βασιλικής Αστρονομικής Ένωσης, Απρίλιος 2004

Αστρονόμοι έχουν ανακαλύψει δέκα πιθανές μαύρες τρύπες, άγνωστες μέχρι τώρα, στο γαλαξία της Ανδρομέδας με τη βοήθεια μιας νέας ισχυρής τεχνικής αναζήτησης που έχουν επινοήσει. Ο γαλαξίας της Ανδρομέδας είναι ο κοντινότερος γειτονικός σπειροειδής γαλαξίας, κάπου 2,5 εκατομμύρια έτη μακριά.

Οι Robin Barnard, Ulrich Kolb και Carole Haswell του Ανοικτού Πανεπιστημίου και ο Julian Osborne του Πανεπιστημίου Λέιτσεστερ χρησιμοποίησαν το διαστημικό παρατηρητήριο XMM-Newton των ακτίνων X της ESA, για να βρουν αντικείμενα, που είναι πιθανώς μαύρες τρύπες κρυμμένες σε διπλά συστήματα άστρων, γνωστών ως Δυαδικά Συστήματα Ακτίνων-X Μικρής Μάζας (LMXB).

Τα περισσότερα συστήματα LMXB αποτελούνται από ένα άστρο νετρονίων μαζί με ένα κανονικό άστρο παρόμοιο με τον ήλιό μας, αλλά μερικά από αυτά έχουν μαύρες τρύπες αντί των άστρων νετρονίων, και είναι δύσκολο να διακρίνει κάποιος τι είναι στην πραγματικότητα.

Τώρα, όμως, με τον προσδιορισμό μιας ιδιαίτερης χαρακτηριστικής 'υπογραφής' - ιδιότητας - που εκπέμπουν αυτά τα συστήματα στις ακτίνες-X, οι αστρονόμοι θεωρούν ότι μπορούν να καθορίσουν εάν το μικρό πυκνό αστέρι έχει αρκετά μεγάλη μάζα για να είναι μια μαύρη τρύπα.

Ο Barnard περιέγραψε τη νέα μέθοδο έρευνας για αυτές τις σπάνιες αστρικές μαύρες τρύπες στο γαλαξία της Ανδρομέδας, σε μια συζήτηση στην Εθνική Συνεδρίαση της Αστρονομίας RAS στο Ανοικτό Πανεπιστήμιο.

Οι αστρονόμοι αναφέρονται προσεκτικά στις ανακαλύψεις τους ως "υποψήφιες" μαύρες τρύπες. "Οι μαύρες τρύπες είναι αόριστα 'κτήνη'", λέει ο Barnard. "Δεν μπορούμε ποτέ να τις δούμε άμεσα παρά μόνο τα αποτελέσματα που έχουν στα αστέρια και το αέριο γύρω από αυτές".

Παραδείγματος χάριν, στα LMXB, το υλικό από το γειτονικό άστρο-συνοδός - που κινείται σπειροειδώς προς τη μαύρη τρύπα ή το αστέρι νετρονίων - εκπέμπει ακτίνες-X ως αποτέλεσμα της θέρμανσης του αερίου πάνω από ένα εκατομμύριο βαθμούς.

"Αλλά εάν  υπάρχουν οι μαύρες τρύπες οι 10 πηγές των ακτίνων-X, που έχουμε επιλέξει, είναι πολύ πιθανά μαύρες τρύπες", αναφέρει ο Barnard.

Και οι αστρονόμοι είναι ευτυχείς με την εύρεση των 10 μέχρι τώρα LMXB δεδομένου ότι είναι πολύ σπάνια, και χρειάστηκαν μόνο 18 μήνες για να τους βρουν, έναντι δεκαετιών που χρειάστηκαν για να βρουν τις 10 υποψήφιες μαύρες τρύπες στο Γαλαξία μας.

Ένα άλλο χαρακτηριστικό γνώρισμα αυτών των αστεριών που εκπέμπουν ακτίνες X κάνει την ανακάλυψη ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα. Αν και υποψήφιες μαύρες τρύπες στα LMXB έχουν προσδιοριστεί σε γαλαξίες πέρα από το Γαλαξία μας, από αστρονόμους που υιοθετούν άλλες τεχνικές, έχουν μια αξιοσημείωτη λαμπρότητα σε ακτίνες Χ.

"Οκτώ από τις 10 πηγές, που έχουμε προσδιορίσει πως είναι πιθανές μαύρες τρύπες, εμφανίζονται να είναι διαρκώς φωτεινές", εξηγεί ο Barnard.

Η τεχνική που η ομάδα έχει αναπτύξει για να προσδιορίσει τα LXMB που περιέχουν μαύρες τρύπες,  περιλαμβάνει την εξέταση των χαρακτηριστικών της εκπομπής των ακτίνων X για ένα ιδιαίτερο είδος μεταβλητότητας, που δείχνει ότι το υλικό μεταφέρεται με ένα σχετικά χαμηλό ρυθμό για το σύστημα.

Τα συστήματα των μαύρων τρυπών μπορούν να παρουσιάσουν αυτήν την ιδιότητα ή 'υπογραφή', ενώ είναι αρκετά φωτεινότερα από αυτά των άστρων νετρονίων. Ειδικότερα, οι ερευνητές έχουν διαπιστώσει ότι τα LXMB εκπέμπουν κατά 10% λιγότερο από τη θεωρητική μέγιστη ισχύ τους, όταν παρατηρείται η χαρακτηριστική μεταβλητότητα.

Από αυτό είναι δυνατό να υπολογιστεί η μάζα του συμπαγούς αστεριού. Εάν είναι πάνω από 3 φορές τη μάζα του ήλιου, είναι πάρα πολύ υψηλή για ένα αστέρι νετρονίων και το αντικείμενο είναι πιθανότατα μια μαύρη τρύπα. Φυσικά, πρέπει να αποκλειστούν άλλες αιτίες για την υψηλή φωτεινότητα προτού να πουμε ότι είναι μια μαύρη τρύπα.

Με τις ισχυρές ικανότητες του XMM-Newton, η ομάδα λέει ότι αναμένουν να είναι σε θέση να ανιχνεύσουν αστρικές μαύρες τρύπες στους γαλαξίες, ακόμα πιο μακριά από το γαλαξία της Ανδρομέδας, καθώς επίσης και άγνωστες προηγουμένως στον δάγνωστα δικοί μας.

Τι είναι μαύρες τρύπες;

Οι μαύρες τρύπες είναι αντικείμενα τόσο συμπαγή που είναι μικρότερα από τον "ορίζοντα γεγονότος" τους.  Κανένα σώμα ή ακτίνα φωτός, που βρίσκεται μέσα στον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας, δεν μπορεί ποτέ να ξεφύγει. Παραδείγματος χάριν, εάν θα μπορούσαμε με κάποιο τρόπο να συμπιέσουμε τον ήλιο μας κάτω από 7 km, τότε θα μετατρεπόταν σε μαύρη τρύπα. Η βαρύτητα του ήλιου θα ήταν η ίδια, αλλά ο ουρανός θα ήταν πολύ σκοτεινότερος!

Τι είναι δυαδικό σύστημα ακτίνων-X;

Τα περισσότερα άστρα σχηματίζουν ζεύγη (Ο ήλιος μας δεν ακολουθεί αυτόν τον κανόνα). Εάν ένα από τα δύο αστέρια έχει εξαιρετικά μεγάλη μάζα, τότε όταν φτάσει στο τέλος του θα εκραγεί προς ένα σουπερνόβα, αφήνοντας πίσω του ένα συμπαγές άστρο (είτε ένα αστέρι νετρονίων, είτε μια μαύρη τρύπα).

Εάν το ζεύγος επιζήσει, μπορεί να σχηματίσει ένα δυαδικό σύστημα ακτίνων-X (LMXB). Αυτά τα συστήματα είναι πολύ σπάνια, ξέρουμε μόνο 150 τέτοια LMXB στο Γαλαξία μας, ο οποίος περιέχει 100 δισεκατομμύρια αστέρια.

Η βαρύτητα του συμπαγούς άστρου είναι τόσο ισχυρή που αέριο υλικό από το σύντροφό του "πέφτει" επάνω του, κινούμενο συχνά σπειροειδώς βαθμιαία, διαμορφώνοντας έναν "δίσκο προσαύξησης". Ώσπου να φθάσει στο συμπαγές άστρο, το υλικό ταξιδεύει με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός, και θερμαίνεται σε πάνω από 1 εκατομμύριο βαθμούς - τόσο καυτό είναι που εκπέμπει όχι ορατό φως αλλά ακτίνες-X. Ένα μήλο που θα έπεφτε σε ένα τέτοιο LMXB θα απελευθέρωνε περισσότερη ενέργεια από όσο 500 εκατομμύρια βόμβες της Χιροσίμα. Ένα δυαδικό σύστημα LMXB, που έχει μόνο διπλάσια μάζα από τον ήλιο μας μπορεί να είναι μέχρι και 500.000 φορές ισχυρότερο.

Η ισχύς ενός LMXB εξαρτάται από το πόσο γρήγορα μεταφέρεται το αέριο υλικό από το άστρο-συνοδό στο συμπαγές αστέρι - δηλαδή το "ρυθμό προσαύξησης". Η μέγιστη ισχύς είναι γνωστή ως όριο Eddington. Εμφανίζεται όταν η ακτινοβολία των ακτίνων X είναι τόσο ισχυρή που ισορροπεί τη βαρυτική έλξη του συμπαγούς αστεριού στο υλικό που πέφτει. Εάν η ακτινοβολία ήταν κατά τι λαμπρότερη θα έστελνε το υλικό που έπεφτε μακριά.