Περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα αφήνει μικρό κοίλωμα στο χωρόχρονο

Πηγή: MIT, 10 Ιανουαρίου 2006

Επιστήμονες στο MIT καθώς και αλλού έχουν βρει μια μαύρη τρύπα που έχει προκαλέσει ένα εντυπωσιακά σταθερό κοίλωμα στο χωροχρονικό ιστό, σαν ένα μικρό βαθούλωμα στον καναπέ του σπιτιού μας.

Δυαδικό σύστημα που περιλαμβάνει μια μαύρη τρύπα, που προκαλεί ένα κοίλωμα στο χωρόχρονο

Η ανακάλυψη αυτή μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να μετρήσουν τη μάζα μιας μαύρης τρύπας και το πως περιστρέφεται, δύο μετρήσεις που επιδιώκονται εδώ και πολύ καιρό τώρα, με τη βοήθεια της έκτασης αυτού του κοιλώματος.

Χρησιμοποιώντας τον δορυφόρο ακτίνων-X Rossi της NASA, η ομάδα αυτή είδε ταυτόσημες μορφές με την ακτινοβολία X που εκπέμφθηκε κοντά στη μαύρη τρύπα πριν εννέα χρόνια, όπως αυτή παρατηρήθηκε το 1996 και σε μια νέα, πρωτοφανή παρατήρηση 550 ωρών το 2005.

Οι περιοχές κοντά στις μαύρες τρύπες είναι εμφανώς χαοτικές, παράγοντας φως σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Οι ομοιότητες που φαίνονται εννέα χρόνια τώρα υπονοούν ότι κάτι πολύ θεμελιώδες παράγει τις δύο ίδιες συχνότητες που παρατηρήθηκαν, δηλαδή η στρέβλωση του χωρόχρονου που προβλέπονται από την σχετικότητα του Αϊνστάιν, αλλά που φαίνεται σπάνια με τόση λεπτομέρεια.

Ο Jeroen Homan του Ιδρύματος για την Αστροφυσική και τη Διαστημική Έρευνα στο MIT και συνάδελφοι του από το πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, το πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ και στο MIT παρουσίασαν αυτό το αποτέλεσμα στην ετήσια συνεδρίαση της Αμερικανικής Αστρονομικής Ένωσης στην Ουάσιγκτον.

"Το γεγονός ότι βρήκαμε την ίδια ακριβώς συχνότητα των ταλαντώσεων των ακτίνων X εννέα χρόνια αργότερα δεν είναι πιθανώς σύμπτωση", λέει ο Homan. "Η μαύρη τρύπα 'τραγουδά' ακόμα στην ίδια συχνότητα. Οι ταλαντώσεις δημιουργούνται από την παραμόρφωση στον χωρόχρονο εξ αιτίας της μαύρης τρύπας. Αυτό το φαινόμενο το είχαμε υποψιαστεί παλιά, αλλά τώρα έχουμε ισχυρά στοιχεία για να το υποστηρίξουμε."

Μια μαύρη τρύπα σχηματίζεται όταν σε ένα άστρο μεγάλης μάζας τελειώνουν τα καύσιμα του, κυρίως υδρογόνο και ήλιο. Χωρίς να υπάρχει τότε προς τα έξω καμιά αντίσταση στη βαρύτητα, το αστέρι συμπυκνώνεται και ο πυρήνας καταρρέει σε ένα σημείο άπειρης πυκνότητας. Οι μαύρες τρύπες έχουν ένα θεωρητικό σύνορο, τον ορίζοντα γεγονότων. Η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή μέσα στον ορίζοντα γεγονότων που τίποτα, ακόμη και το φως, δεν μπορεί να δραπετεύσει από την ισχυρή έλξη του. Έξω από τον ορίζοντα γεγονότων, το φως μπορεί ακόμα να δραπετεύσει.

Η ομάδα του Homan -- που περιλαμβάνει το Jon Miller του πανεπιστημίου του Μίσιγκαν, τον Rudy Wijnands του πανεπιστημίου του Άμστερνταμ και τον Walter Lewin του MIT -- παρατήρησε μια περιοχή λιγότερο από 160 χιλιόμετρα μακριά από τον ορίζοντα γεγονότων ενός συστήματος μαύρης τρύπας, της GRO J1655-40. Εδώ, η ύλη μπορεί να μπει σε τροχιά γύρω από μια μαύρη τρύπα σχετικά σταθερά, αλλά περιστασιακά ταλαντεύεται σε ορισμένες ακριβείς συχνότητες. Αυτό είναι ένα άμεσο αποτέλεσμα για το πώς παραμορφώνει η μαύρη τρύπα το χωρόχρονο.

Η ομάδα παρατήρησε το δυαδικό σύστημα GRO J1655-40 δύο φορές την ημέρα κατά μέσον όρο για οκτώ μήνες, και συνολικά περισσότερο από 550 ώρες. Αέριο δε από ένα συνοδό άστρο έπεφτε προς τη μαύρη τρύπα, θερμαινόταν σε υψηλές θερμοκρασίες και ανάγκαζε ολόκληρη την περιοχή να λάμπει στο φως των ακτίνων X.

Κατά τη διάρκεια της μακροχρόνιας παρατήρησης, η ομάδα αποκάλυψε τις διακυμάνσεις στο φως των ακτίνων X, που λέγεται Σχεδόν Περιοδικές Ταλαντώσεις, ή QPO. Αυτές οφείλονται πιθανόν από την ταλάντευση σταγόνων του αερίων που κτυπούν από παντού τη μαύρη τρύπα. Η ομάδα παρατήρησε QPO στις συχνότητες 300 Hz και 450 Hz -- όπως αυτές που παρατηρήθηκαν πριν εννέα χρόνια. Ήταν κατά πολύ η πιο μακροχρόνια παρατήρηση μιας μαύρης τρύπας κατά τη διάρκεια μιας έκρηξης. Οι προηγούμενες παρατηρήσεις καθόρισαν ότι το σύστημα GRO J1655-40 έχει περίπου 6,5 φορές περισσότερη μάζα από τον ήλιο.

"Οι ακριβείς συχνότητες καθορίζονται από τη μάζα της μαύρης τρύπας και επίσης από το πόσο γρήγορα περιστρέφεται", είπε ο Miller. "Αυτές οι μετρήσεις -- της μάζας και του σπιν -- είναι δύσκολο να ληφθούν. Ευτυχώς, είχαμε ήδη μια εκτίμηση της μάζας αυτής της μαύρης τρύπας. Αφού καταλάβαμε τη συμπεριφορά της ύλης τόσο κοντά στην άκρη της μαύρης τρύπας, μπορούμε τώρα να αρχίσουμε να βρούμε το σπιν και έτσι, για πρώτη φορά, να περιγράφουμε εντελώς τη μαύρη τρύπα."

Η ομάδα αυτή έκανε αυτό το μακροχρόνιο και εντατικό πρόγραμμα παρατήρησης με το διαστημικό παρατηρητήριο των ακτίνων X Rossi, ένα μοναδικό και ανθεκτικό παρατηρητήριο που προωθήθηκε στις 30 Δεκεμβρίου 1995.

"Αν δεν είχαμε παρατηρήσει κατ' αυτό τον τρόπο, πιθανώς δεν θα είχαμε ανιχνεύσει το ζευγάρι του QPO πάλι", τονίζει ο Wijnands. "Χρειαζόμαστε χρόνο. Η ακτινοβολία Χ από τις μαύρες τρύπες παρουσιάζει τυπικά πολλούς τύπους διακυμάνσεων. Συχνά βλέπουμε τις μαύρες τρύπες να λαμπρύνουν και να εξασθενίζουν μερικούς φορές ανά δευτερόλεπτο, αλλά ο ρυθμός με τον οποίο αυτό συμβαίνει αλλάζει καθημερινό. Το ειδικό για τις διακυμάνσεις που παρατηρήσαμε είναι όχι μόνο ότι είναι πολύ γρηγορότερες από τις συνηθισμένες διακυμάνσεις -- μερικές εκατοντάδες φορές ανά δευτερόλεπτο! -- αλλά και ότι ο ρυθμός των διακυμάνσεων είναι ακριβώς ο ίδιος όπως όταν τις είδαμε πριν εννέα χρόνια".