Λύνονται τα μυστικά των μαύρων οπών

Πηγή: Independent, 3 Νοεμβρίου 2005

Η άποψη για τις μαύρες τρύπες σαν τα σώματα με τις υπερβολικές μάζες που απορροφούν την ύλη και το φως, έχει εξάψει τη φαντασία του κοινού επί δεκαετίες. Τώρα, για πρώτη φορά, οι επιστήμονες είναι στα πρόθυρα να εξετάσουν την καρδιά του σκοταδιού.

Είναι πιθανώς τα πιο παράξενα αντικείμενα στο γνωστό Κόσμο. Οι μαύρες τρύπες είναι τόσο ογκώδεις και το βαρυτικό τους τράβηγμα είναι τόσο ισχυρό που τίποτα δεν μπορεί να δραπετεύσει - ακόμη και το ίδιο το φως - που είναι πράγματι παράξενο για κάτι που είναι φτιαγμένο από το τίποτα.

Από την ανακάλυψή της το 1974, η παράξενη πηγή ραδιοκυμάτων στον αστερισμό του Τοξότη - σε απόσταση 25.000 ετών φωτός - είχε δώσει υποψίες για την παρουσία εκεί μιας ογκώδους μαύρης τρύπας στο κέντρο του Γαλαξία μας. Μια νέα εργασία δίνει εικόνες πολύ υψηλής ανάλυσης αυτής της πηγής, με το όνομα Sgr Α*. Αυτές οι παρατηρήσεις δίνουν ισχυρές αποδείξεις ότι η Sgr Α* είναι πράγματι μια μαύρη τρύπα, και παρέχει μια λάμψη της συμπεριφοράς της ύλης που είναι έτοιμη να πέσει μέσα σε αυτήν. Είναι επίσης ένα ακόμα βήμα στην απεικόνιση μιας εικόνας της σκιάς γύρω από την άκρη μιας μαύρης τρύπας, που αποτελεί μια ισχυρή και κλασική δοκιμή της γενικής θεωρίας της σχετικότητας. Η σκιαγράφηση αυτής της περιοχής είναι ο "ορίζοντας γεγονότων", το σημείο της μη επιστροφής πέρα από το οποίο καμιά ύλη ή φως δεν μπορεί ποτέ να δραπετεύσει.

Μια τρύπα στο διάστημα φαίνεται να μην έχει πάντως κανένα νόημα, όμως οι επιστήμονες είναι πεπεισμένοι ότι αυτές οι φυλακές του φωτός υπάρχουν  πραγματικά, ακόμα κι αν δεν έχουν φανεί ποτέ ενώ τα μόνα στοιχεία για την ύπαρξή τους είναι περιστασιακά.

Αλλά οι αστρονόμοι τώρα έχουν την ευκαιρία να κοιτάξουν πολύ επίμονα μια μαύρη τρύπα κατά πρόσωπο. Με τη βοήθεια μιας σειράς 10 ραδιοτηλεσκοπίων στην Αμερική, έχουν φωτογραφίσει το κενό στο κέντρο του Γαλαξία μας 26 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά, όπου μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα κάθεται αόρατα, όπως το διαφανές μάτι ενός τυφώνα.

Αυτή η ιδιαίτερη μαύρη τρύπα υπολογίζεται ότι έχει μια μάζα ισοδύναμη με τέσσερα εκατομμύρια ήλιους και όμως οι πιο πρόσφατες μετρήσεις, που δημοσιεύονται στοNature, προτείνουν ότι καταλαμβάνει έναν όγκο με μια ακτίνα λιγότερη από την απόσταση μεταξύ της γης και του ήλιου.

Η ακτίνα αυτή είναι λιγότερη από το μισό μέγεθος όπως προηγουμένως είχε υπολογιστεί, κάτι που δείχνει ότι οι αστρονόμοι είναι κοντά στον καθορισμό του κρίσιμου εξωτερικού ορίου, ένα από τα πιο αόριστα φαινόμενα στην κοσμολογία - κάτι που έχει προκαλέσει αμηχανία στους επιστήμονες για δεκαετίες. "Ήμαστε πολύ κοντά  να δούμε μια αληθινή υπογραφή, την πρώτη συγκεκριμένη απόδειξη μιας πολύ μεγάλης μαύρης τρύπας στο κέντρο ενός Γαλαξία", λέει ο Zhi-Qiang Shen, του Αστρονομικού Παρατηρητηρίου της Σαγκάης στην Κίνα, κι ένας από τους επικεφαλείς της μελέτης.

Επειδή κανένα φως δεν δραπετεύει από τις μαύρες τρύπες, αυτός είναι κι ο λόγος για τον οποίο είναι τόσο αόρατες. Μπορούν εντούτοις να ανιχνευθούν από τα ραδιοκύματα που εκπέμπονται κατά την πτώση του υλικού που καταπίνουν, και το οποίο βρίσκεται στο γειτονικό τους περιβάλλον.

Το πρώτο σημάδι μιας μαύρης τρύπας μέσα στο Γαλαξία μας ήρθε τον Φεβρουάριο του 1974, όταν δύο αμερικανοί αστρονόμοι, οι Bruce Balick και Robert Brown, ανίχνευσαν μια ισχυρή πηγή ραδιοκυμάτων που προερχόταν από τον αστερισμό του Τοξότη (Sagittarius). Οι Balick και Brown υπολόγισαν ότι, οποιοδήποτε κι αν ήταν η αιτία της ακτινοβολίας, η πηγή προερχόταν από το νεκρό κέντρο του Γαλαξία. Υποψιάστηκαν ότι υπήρχε μια μαύρη τρύπα στην καρδιά του Γαλαξία και άρχισε τότε ένας αγώνας των αστρονόμων να συλλάβουν την πρώτη εικόνα αυτής της ραδιοπηγής, την οποία ονόμασαν Sagittarius Α*.

"Οι μαύρες τρύπες είναι ίσως τα πιο εξωτικά αντικείμενα που έχουν εισβάλει στην κοσμική συνείδηση", εξηγεί ο αστρονόμος Christopher Reynolds του πανεπιστημίου του Μέρυλαντ, ο οποίος γράφει στο περιοδικό Nature. "Σχηματίζονται όταν καταρρέει προς τα μέσα η ύλη ενός τεράστιου νεκρού άστρου, κάτω από την επίδραση της βαρύτητά του, ενώ διαμορφώνεται μια περιοχή του διαστήματος στην οποία το βαρυτικό πεδίο είναι τόσο ισχυρό που καταπίνει όλη την ύλη και την ακτινοβολία που έρχεται κοντά σε αυτήν".

Ένας τρόπος για να παρατηρήσουμε τις μαύρες τρύπες είναι να δούμε πως διαστρεβλώνουν το διάστημα και το χρόνο. Φανταστείτε τη χωροχρονική συνέχεια ως ένα λαστιχένιο φύλλο. Ένα αντικείμενο στο μέγεθος του ήλιου θα ενεργούσε σαν μια βαριά σφαίρα που τοποθετείται σε ένα τραμπολίνο, προκαλώντας έτσι ένα μικρό κοίλωμα. Τα βαρύτερα αντικείμενα, όπως είναι οι μπάλες ενός κανονιού, θα δημιουργούσαν μεγαλύτερα κοιλώματα στη χωροχρονική συνέχεια, αλλά κάτι τόσο βαρύ και πυκνό όπως είναι μια μαύρη τρύπα θα προκαλούσε ένα τέτοιο απότομο κοίλωμα, που θα έμοιαζε σαν ένα απύθμενο κοίλωμα από το οποίο τίποτα δεν θα μπορούσε να δραπετεύσει μόλις έπεφτε μέσα.

Αυτή η όψη των μαύρων τρυπών οφείλεται στις θεωρίες του Einstein για τη σχετικότητα. Αλλά η ιδέα για τις μαύρες τρύπες προηγήθηκε χρονικώς από την πρωτοποριακή εργασία του. Στην πραγματικότητα, οι μαύρες τρύπες, όπως πολλά κοσμολογικά φαινόμενα, προβλέφθηκαν πολύ πριν να αρχίσουν να κατασκευάζουν οι επιστήμονες το είδος των οργάνων που θα μπορούσαν να τις ανιχνεύσουν.

Πράγματι, ένας άγγλος ιερέας και μελετητής, ο John Michell πρόβλεψε το 1784 ότι μερικά άστρα ίσως να ήταν τόσο μεγάλα, και ως εκ τούτου τόσο βαριά ή ογκώδη, που θα δημιουργούσε ένα βαρυτικό πεδίο τόσο ισχυρό, που θα μπορούσε να εμποδίσει το φως να δραπετεύσει. Εάν ένα σώμα ήταν 500 φορές μεγαλύτερο από τον ήλιο, γράφει ο Michell, "όλο το φως που εκπέμπεται από ένα τέτοιο σώμα θα επέστρεφε ξανά προς αυτό, λόγω της κατάλληλης βαρύτητάς του".

Τέτοιες προβλέψεις βασίστηκαν στην εργασία του Isaac Newton για τη βαρύτητα. Και φτάσαμε στην Γενική Θεωρία της Σχετικότητα του Αλβέρτου Αϊνστάιν για να δούμε ότι μπορούσαμε να την χρησιμοποιήσουμε στις μαύρες τρύπες - αν και κανένας επιστήμονας δεν τις είχε ονομάσει έτσι έως το 1967.

Με την χρησιμοποίηση της θεωρίας του Einstein, ο Karl Schwarzschild, ένας γερμανός φυσικός, ανακάλυψε ότι οι εξισώσεις της σχετικότητας οδηγούσαν στην προβλεφθείσα ύπαρξη ενός αντικειμένου τόσο πυκνού, που όλα τα άλλα αντικείμενα γύρω του θα έπεφταν μέσα σε αυτήν και δεν θα μπορούσαν να έβγαιναν ποτέ πάλι.

Ο Schwarzschild μίλησε τότε για μια "μαγική σφαίρα" γύρω από ένα τέτοιο αντικείμενο, όπου η βαρύτητα ήταν τόσο ισχυρή που τίποτα μέσα σε εκείνη την σφαίρα δεν θα μπορούσε να δραπετεύσει. Επιπλέον, όλη η ύλη μέσα στη σφαίρα θα συσσωρευόταν σε ένα σημείο άπειρης πυκνότητας, που δεν καταλαμβάνει ουσιαστικά κανένα χώρο. Αυτό το σημείο είναι γνωστό ως "ιδιομορφία" και κάθε μαύρη τρύπα θεωρείται ότι έχει μια ιδιομορφία στο κέντρο της.

Ο Robert Oppenheimer, ο πατέρας της αμερικανικής ατομικής βόμβας, υπολόγισε ότι οι μαύρες τρύπες ήταν το τελευταίο τελικό προϊόν του κύκλου της ζωής ενός αστεριού, το σημείο στο οποίο καταρρέει, και το αποτέλεσμα είναι από το εξαιρετικά πυκνό υλικό να αναδύεται μια ιδιομορφία.

Μαζί με τον Hartiand Snyder το 1939 ο Robert Oppenheimer  δημοσίευσε την πρώτη λεπτομερή μελέτη για τη βαρυτική κατάρρευση χρησιμοποιώντας τη θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν. Η δημοσίευση αυτή προέβλεπε τις βασικές ιδιότητες μίας μη περιστρεφόμενης μαύρης τρύπας και τα πορίσματα της δεν έχουν ουσιαστικά αλλάξει μέχρι σήμερα.

Κατά την περίοδο της μορφοποίησης της γενικής θεωρίας της σχετικότητας από τον Αϊνστάιν και των πρώτων προβλέψεων της θεωρίας μέσω των λύσεων Schwarzschild, δεν ήταν γνωστός κάποιος μηχανισμός που θα εξηγούσε τη δημιουργία αντικείμενων στο σύμπαν όπως οι μαύρες τρύπες. Μετά το 1939 και την εργασία των Robert Oppenheimer και Hartland Snyde, ο μηχανισμός αυτός άρχισε να αποσαφηνίζεται.

Αλλά η πραγματική κρίσιμη καμπή ήρθε το 1967, όταν έπλασε ο αμερικανός αστροφυσικός, John Wheeler, τον όρο "μαύρη τρύπα" - και ξεκίνησε έτσι ένα κύμα μεγάλης γοητείας στο κοινό με αυτή την ισχυρή βαρυτική επίδραση.

Το 1971, είχαμε τα πρώτα πειραματικά στοιχεία από το διάστημα για την ύπαρξη των μαύρων οπών όταν συγκεντρώθηκαν δεδομένα από τον αμερικανικό δορυφόρο Uhuru. Τα όργανά του ανίχνευσαν μια πηγή ακτίνων X που προέρχονταν από ένα αστέρι, το οποίο έδειχνε να έχει δίπλα του έναν αόρατο σύντροφο σε τροχιά, ενώ υπολογίστηκε ότι ο αόρατος σύντροφος έχει πέντε φορές τη μάζα του ήλιου.

Αυτό το αντικείμενο ήταν ο πρώτος υποψήφιος για το "μικρότερο" είδος μαύρης τρύπας, και η οποία προκλήθηκε από την κατάρρευση ενός άστρου. Αλλά πιο πρόσφατα οι επιστήμονες έχουν βρει πολύ, πολύ μεγαλύτερες μαύρες τρύπες.

Αυτές οι μαύρες τρύπες έχουν πάρα πολύ μεγάλη μάζα, όπως αυτή στο κέντρο του Γαλαξία μας που υπολογίζεται ότι ζυγίζει περίπου 4 εκατομμύρια φορές τη μάζα του ήλιου.

Αλλά οι αστρονόμοι θεωρούν ότι υπάρχουν ακόμα μεγαλύτερες, 10 δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του ήλιου, στην καρδιά κάθε γαλαξία, λέει ο κοσμολόγος Marcus Chown, συγγραφέας του βιβλίου The Universe Next Door. "Κανένας δεν ξέρει πως σχηματίζονται. Κανένας δεν ξέρει γιατί είναι στο κέντρο των γαλαξιών. Είναι πιθανόν να ήταν πρώτα εκεί και μετά να βοήθησαν στο σχηματισμό των γαλαξιών, όπως ο Γαλαξίας".

Τέτοιο είναι το μυστήριο που περιβάλλει τις μαύρες τρύπες που μια μικρή μειονότητα επιστημόνων δεν μπορεί να πιστέψει εντελώς ότι αυτές υπάρχουν. "Η αλήθεια είναι ότι δεν είμαστε απολύτως βέβαιοι ότι οι μαύρες τρύπες υπάρχουν. Κανένας δεν έχει δει πραγματικά μια μαύρη τρύπα", εξήγησε ο Chown.

Γι' αυτό και η πιο πρόσφατη μελέτη είναι τόσο σημαντική, επειδή οι επιστήμονες έχουν κάνει 'κοντινές λήψεις΄μιας μαύρης τρύπας. Αλλά με τι  να μοιάζει το "τίποτα"; Πώς μπορούμε να πάρουμε μια εικόνα για κάτι που καταπίνει όλη την ύλη και την ακτινοβολία;

Μια μαύρη τρύπα με τον ορίζοντα γεγονότων, που είναι η μυστήρια περιοχή που περιβάλλει μια μαύρη τρύπα και παγιδεύει για πάντα το φως και την ύλη που προσεγγίζει κοντά της. Εξ ορισμού, κανένα αστρονομικό αντικείμενο εκτός από μια μαύρη τρύπα δεν μπορεί να έχει ορίζοντα γεγονότων. Η σφαιρική επιφάνεια σε απόσταση από το κέντρο αριθμητικά ίση με το διπλάσιο της μάζας της μαύρης τρύπας, είναι η επιφάνεια Schwarzschiid ή απλά ορίζοντας γεγονότων και καθορίζει την επιφάνεια από την οποία η ταχύτητα διαφυγής είναι ίση με την ταχύτητα του φωτός. Τέλος, όταν η ύλη οδεύει προς τη μαύρη τρύπα είναι δυνατόν να σχηματίσει λόγω διατήρησης της στροφορμής, ένα περιστρεφόμενο δίσκο πριν πέσει μέσα στη μαύρη τρύπα. Αυτός είναι ο λεγόμενος δίσκος προσαύξησης ή συσσώρευσης..