Προσομοιώσεις δείχνουν ότι οι μαύρες τρύπες αυξάνονται αλλά με αυτοπεριορισμό

Πηγή: space.com, 9 Φεβρουαρίου 2005

Η ενέργεια που δημιουργήθηκε όταν οι μαύρες τρύπες συγχωνεύτηκαν συνέβαλε στο σχηματισμό άστρων, ενώ συγχρόνως το αέριο που ξεχύθηκε στα περίχωρα ενός γαλαξία δημιούργησε ένα όριο ως προς την ποσότητα που μπορεί να καταναλώσει και να αυξηθεί μια μαύρη τρύπα. Αυτό το συμπέρασμα παρουσιάζει μια νέα προσομοίωση σε υπολογιστές.

Οι εργασίας αυτές επιβεβαιώνουν αυτό που οι αστρονόμοι είχαν υποψιαστεί ολοένα και περισσότερο τα τελευταία χρόνια, ότι δηλαδή οι μαύρες τρύπες παίζουν κυρίαρχο ρόλο στη διαδικασία της δημιουργίας των γαλαξιών. Το συμπέρασμα αυτό συμφωνεί, επίσης, και με διάφορες παρατηρήσεις.

Στο πρώιμο σύμπαν συγκρούονταν συχνά μικροί νέοι γαλαξίες και συγχωνεύονταν, σύμφωνα με την κύρια θεωρία του σχηματισμού των γαλαξιών. Οι περισσότεροι από αυτούς τους νεοσχηματισθέντες γαλαξίες πρέπει να είχαν μέτριες μαύρες τρύπες. Οι μαύρες τρύπες συγχωνεύτηκαν επίσης και αυτές, λένε οι επιστήμονες, γεγονός που οδήγησε στις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, που βρίσκονται στους περισσότερους μεγάλους γαλαξίες που παρατηρούμε σήμερα.

Επίσης, τα τελευταία χρόνια, οι επιστήμονες είχαν αρχίσει να εκτιμούν ότι η συνολική μάζα των άστρων στους σημερινούς γαλαξίες αντιστοιχεί άμεσα στο μέγεθος της μαύρης τρύπας ενός γαλαξία, αλλά μέχρι τώρα, κανένας δεν μπορούσε να αποδείξει αυτήν την παρατηρηθείσα σχέση.

Το κλειδί για τη σημαντική ανακάλυψη των ερευνητών ήταν το υπολογιστικό μοντέλο του σχηματισμού των γαλαξιών. Σε αυτό προσομοίωσαν τη σύγκρουση δύο δημιουργούμενων γαλαξιών και τότε διαπιστώθηκε ότι όταν ενώθηκαν οι δύο γαλαξίες, συγχωνεύτηκαν οι δύο υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες τους και αρχικά κατανάλωσαν το περιβάλλον αέριο. Αλλά αυτή η δραστηριότητα τους αργότερα περιορίστηκε. Η αιτία ήταν ότι η απορρόφηση του αερίου 'ανέφλεξε' ένα κβάζαρ, το οποίο ανάγκασε το περιβάλλον αέριο να ξεφύγει μακριά από το περιβάλλον της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας έξω από το γαλαξία. Χωρίς λοιπόν αέριο, η μαύρη τρύπα του γαλαξία δεν θα μπορούσε να αναπτυχθεί κι άλλο  και γι αυτό αδράνησε. Συγχρόνως, δεν ήταν πλέον διαθέσιμο άλλο αέριο για να σχηματίσει άλλα νέα αστέρια.

Φαινομενική έλξη

Οι μαύρες τρύπες δεν μπορούν να φανούν, αλλά ανιχνεύονται από τη βαρυτική έλξη που ασκούν στα αστέρια και το αέριο σε έναν γαλαξία.

Οι μαύρες τρύπες έχουν μια φήμη ότι απορροφούν τα πάντα, αλλά στην πραγματικότητα έλκουν απόμακρο υλικό χωρίς περισσότερη δύναμη από οποιοδήποτε άλλο αντικείμενο ισοδύναμου βάρους. Η μάζα μιας μαύρης τρύπας καθορίζει τη βαρυτική επίδραση της. Οι πιο υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες συνήθως περιέχουν λιγότερο από το 1% της μάζας ενός γαλαξία.

Ακόμα επειδή οι μαύρες τρύπες είναι πολύ συμπαγείς, η βαρυτική τους έλξη στα κοντινά αντικείμενα είναι πρωτοφανής.

Το αέριο που απορροφάει επιταχύνεται με μια ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός, καθώς αυτό κινείται σπειροειδώς προς το εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας. Το αέριο αυτό υπερθερμαίνεται και μετατρέπεται σε πλάσμα (η τέταρτη κατάσταση της ύλης). Το πλάσμα αυτό εκπέμπει τεράστια ακτινοβολία, από την περιοχή των ραδιοκυμάτων, το ορατό φως έως τις ακτίνες X. Οι παρατηρήσεις αυτής της ακτινοβολίας είναι μια πρόσθετη ένδειξη για την παρουσία μιας μαύρης τρύπας.

Οι θεωρητικοί λένε ότι η όλη διαδικασία θα δημιουργούσε έναν κοσμικό ρεύμα αερίων που θα εκτόξευε υλικό πολύ μακριά από τη μαύρη τρύπα. Μια μελέτη το 2003 του Πανεπιστημίου Penn βρήκε στοιχεία για το μεγαλύτερο ρεύμα από απόμακρους υπέρλαμπρους - ενεργούς γαλαξίες - κβάζαρ.

Η έντονη ακτινοβολία και η ομίχλη του αερίου γύρω από ένα κβάζαρ εμποδίζουν τους αστρονόμους να δουν τι συμβαίνει στο εσωτερικό. Έτσι η επιβεβαίωση των συμπερασμάτων για αυτή τη διαδικασία είναι δύσκολη.

Συμφωνία προσομοιώσεων

Στη νέα προσομοίωση όταν οι μαύρες τρύπες συγχωνεύονται καταναλώνουν το περιβάλλον αέριο. Επίσης, τότε 'αναφλέγεται' το κβάζαρ, που εκπέμπει εκρηκτικά κύματα αερίου στα άκρα του γαλαξία.

"Έχουμε ανακαλύψει ότι η ενέργεια που απελευθερώνεται από τις μαύρες τρύπες, κατά τη διάρκεια της φάσης που λάμπει το κβάζαρ, αποτρέπει το υλικό αυτό από να εισέλθει στη μαύρη τρύπα", λέει ο Volker Springel στο Ίδρυμα Max-Planck για την αστροφυσική. "Έτσι, αυτή η διαδικασία εμποδίζει την συνεχή αύξηση των μαύρων οπών και περιορίζει το κβάζαρ, μόλις ο σχηματισμός των άστρων σταματήσει μέσα σε έναν γαλαξία. Κατά συνέπεια, η μάζα των μαύρων οπών και η μάζα των αστεριών σε έναν γαλαξία συνδέονται στενά".

Οι προσομοιώσεις ταιριάζουν με τις παρατηρήσεις που αποκαλύπτουν ότι τα κβάζαρ υπήρχαν άφθονα στο αρχικό σύμπαν και είναι σπάνια στη σημερινή εποχή. Θεωρητικοί έχουν υποθέσει ότι η φάση ζωής του κβάζαρ είναι σχετικά σύντομη, και ότι οι σημερινοί γαλαξίες, πολλοί από τους οποίους φαίνονται να είναι τεράστιοι αλλά όχι και εντυπωσιακά φωτεινοί, έχουν ωριμάσει μετά από την ενεργή φάση του κβάζαρ.

"Τα αποτελέσματά μας εξηγούν επίσης για πρώτη φορά γιατί η διάρκεια ζωής του κβάζαρ είναι τόσο σύντομη σε σχέση με τη ζωή ενός γαλαξία", αναφέρει ο Springel.

"Τα τελευταία χρόνια, οι επιστήμονες έχουν αρχίσει να εκτιμούν ότι η συνολική μάζα των αστεριών στους σημερινούς γαλαξίες αντιστοιχεί άμεσα με το μέγεθος της μαύρης τρύπας ενός γαλαξία, αλλά μέχρι τώρα, κανένας δεν θα μπορούσε να λογαριάσει αυτήν την σχέση που παρατηρείται", λέει η Tiziana Di Matteo, καθηγήτρια της αστροφυσικής στο Carnegie Mellon, όπου δημιουργήθηκε η νέα προσομοίωση. "Η χρησιμοποίηση των προσομοιώσεων μας έχει δώσει έναν απολύτως νέο τρόπο για να ερευνήσουμε αυτό το πρόβλημα".

Στις εικονικές συγχωνεύσεις, οι μαύρες τρύπες στους μικρούς γαλαξίες εκτινάσσουν το αέριο πολύ γρήγορα, έτσι διαμορφώνονται λίγα αστέρια. Οι μεγαλύτεροι γαλαξίες έχουν περισσότερο αέριο και μία πιο μεγάλη μαύρη τρύπα, επομένως διαμορφώνονται περισσότερα αστέρια.

Τα λεπτομερή αποτελέσματα αυτής της έρευνας δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Nature.

Οι προηγούμενες μελέτες υποδείκνυαν ότι το ρεύμα του κβάζαρ θα συμπίεζε το αέριο, αναγκάζοντας έτσι ένα τμήμα του αερίου να καταρρεύσει και να σχηματιστούν τα αστέρια. Και παρατηρήσεις που δόθηκαν για δημοσίευση στις αρχές του τρέχοντος έτους έδειξαν ότι μια πυκνή ακτίνα του υλικού που εκτινάσσεται κατά μήκος των πόλων μιας περιστρεφόμενης μαύρης τρύπας μπορεί, επίσης, να προκαλέσει περιόδους σχηματισμού των αστεριών.

Στις προσομοιώσεις τους, οι Di Matteo και Springel διαπίστωσαν ότι οι μαύρες τρύπες στους μικρούς γαλαξίες η αύξησή τους αυτοπεριοριζόταν αποτελεσματικότερα απ' ό,τι στους μεγαλύτερους γαλαξίες. Γιατί ένας μικρότερος γαλαξίας περιέχει μικρότερα ποσά αερίου έτσι ώστε αρκεί ένα μικρό ποσό ενέργειας από τη μαύρη τρύπα να μπορεί να απομακρύνει γρήγορα αυτό το αέριο μακριά. Σε έναν μεγάλο γαλαξία, όμως, η μαύρη τρύπα μπορεί να φθάσει σε ένα μεγαλύτερο μέγεθος προτού να ενεργοποιηθεί αρκετά το περιβάλλον αέριό του για να σταματήσει να εισέρχεται μέσα στη μαύρη τρύπα. Επειδή το αέριό τους καταναλώνεται γρήγορα, οι μικρότεροι γαλαξίες κάνουν λιγότερα αστέρια. Ενώ, οι μεγαλύτεροι γαλαξίες κάνουν περισσότερα αστέρια. Οι προσομοιώσεις αυτές είναι επίσης σε συμφωνία με τις παρατηρήσεις που δείχνουν ότι η περιεκτικότητα σε αστέρια ενός γαλαξία συσχετίζεται άμεσα με τη μαύρη τρύπα της.

"Ξέρουμε τώρα γιατί τα κβάζαρ ζουν τόσο σύντομα, αν συγκριθούν με τη ζωή ενός γαλαξία και καταλαβαίνουμε γιατί τα κβάζαρ ήταν πιο άφθονα στον αρχικό Κόσμο", λέει η αστροφυσικός.

Τα κβάζαρ είναι από τα πιο μακρινά και λαμπερά αντικείμενα του Σύμπαντος, που το καθένα τους εκπέμπει ενέργεια εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη από ένα γιγαντιαίο γαλαξία. Η απόσταση τους υπολογίζεται από την μεγάλη μετατόπιση που παρουσιάζει το φάσμα τους προς το ερυθρό.

Σήμερα η κυρίαρχη θεωρία για τα κβάζαρ δέχεται ότι είναι πυρήνες γαλαξιών οι οποίοι περιέχουν στο κέντρο τους μια πολύ μεγάλη μαύρη τρύπα. Η μαύρη τρύπα αυτή έλκει αέρια και γειτονικά άστρα από τον γαλαξία που την φιλοξενεί, τα οποία, λόγω της έλξης, αποκτούν στροφορμή και πολύ συχνά σχηματίζουν ένα δίσκο προσαύξησης γύρω από αυτή.

Καθώς ο δίσκος προσαύξησης περιστρέφεται, τα αέρια και η σκόνη του θερμαίνονται όλο και περισσότερο, εξαιτίας της βαρύτητας και της τριβής. Έτσι, πριν προλάβουν να πέσουν τα αέρια και η ύλη μέσα στη μαύρη τρύπα ακτινοβολούν τεράστια ποσά ενέργειας. Αυτό είναι που δημιουργεί την έντονη ακτινοβολία των κβάζαρ. Πολύ συχνά οι δίσκοι προσαύξησης των κβάζαρ συνοδεύονται από δύο πίδακες, έναν σε κάθε πλευρά τους. Οι πίδακες αυτοί της ύλης είναι μαγνητισμένα νέφη ηλεκτρονίων που κινούνται με σχετικιστικές ταχύτητες.

Τα κβάζαρ ανήκουν σ' εκείνη την κατηγορία των ουράνιων σωμάτων που ονομάζουμε "ενεργούς" γαλαξίες. Αν και δεν ξεπερνούν κατά πολύ σε μέγεθος τον Ήλιο, είναι εκατοντάδες φορές πιο λαμπεροί από τον ίδιο τον Γαλαξία μας και εκπέμπουν σε μια ευρεία περιοχή του φάσματος: από το υπέρυθρο μέχρι την περιοχή των ακτίνων-Χ ή και σπανιότερα των ακτίνων-γ.

Μια σημαντική μεταβολή της φωτεινότητας ενός κβάζαρ, μέσα σε ένα μήνα για παράδειγμα, σημαίνει πως το μέγεθός του δεν ξεπερνά τον ένα μήνα φωτός. Επομένως, οι κβάζαρ είναι αντικείμενα πολύ μικρά σε σύγκριση με τους γαλαξίες.

Πολλοί αστρονόμοι σήμερα πιστεύουν πως ένα κβάζαρ γεννιέται με τη σύγκρουση δύο μεγάλων γαλαξιών που έχουν παραπλήσιες μάζες. Ίσως να υπάρχει ήδη μια μαύρη τρύπα στο κέντρο κάθε γαλαξία ή μπορεί να δημιουργηθεί μετά τη σύγκρουση. Σε κάθε περίπτωση, η σύγκρουση έχει ως αποτέλεσμα να αρχίσουν να απορροφώνται υλικά από τη μαύρη τρύπα παράγοντας τεράστια ποσά ενέργειας και δίνοντας το έναυσμα για τη δημιουργία του κβάζαρ.

Για να δημιουργηθεί, όμως, ένα κβάζαρ από τη σύγκρουση δύο γαλαξιών, αυτοί πρέπει να είναι πλούσιοι σε αέρια που βρίσκονται σε μoριακή μορφή (η μορφή που έχει ένα αέριο στην πιο πυκνή του κατάσταση). Η σύγκρουση δύο πλούσιων σε αέρια γαλαξιών έχει ως αποτέλεσμα τη συμπίεση των αερίων, την αύξηση της πυκνότητάς τους και τη γρήγορη πτώση τους προς τη μαύρη τρύπα.

Κατά τη διάρκεια της σύγκρουσης μεταξύ δύο υψηλής περιεκτικότητας σε αέρια γαλαξιών, εκτός από τη μεταφορά μεγάλων ποσοτήτων αερίου στην κεντρική μαύρη τρύπα και τη δημιουργία ενός κβάζαρ, το αέριο συμπιέζεται δημιουργώντας σμήνη νέων άστρων. Το φως από αυτά τα άστρα, που αποτελεί ένα σημαντικό μέρος της ορατής λαμπρότητας του νεοδημιουργηθέντος ουράνιου σώματος, απορροφάται επίσης από τη σκόνη και τα αέρια. Τελικά, όμως, τα νέα άστρα και το ίδιο το κβάζαρ θα διαλύσουν το σύννεφο σκόνης που τα σκεπάζει.

Ένα συνηθισμένο κβάζαρ θα συνεχίσει να ακτινοβολεί για 10 έως 100 εκατομμύρια χρόνια, μέχρις ότου το αέριό του καταναλωθεί από τη μαύρη τρύπα καθώς και από τον σχηματισμό νέων άστρων. Στη συνέχεια θα καταλήξει σ' έναν λαμπρό ελλειπτικό γαλαξία, δηλαδή σ' έναν γαλαξία πολύ μικρής περιεκτικότητας σε σκόνη και αέρια, ή σε έναν φτωχό σε αέρια σπειροειδή γαλαξία.