Λύνοντας τα μυστήρια των μαύρων οπών δημιουργούνται νέα

Πηγή: space.com, 10 Ιουλίου 2006

Μέχρι σήμερα, οι μαύρες τρύπες έχουν παραμείνει κρυμμένες κάτω από αόρατες 'κουρτίνες'. Και ενώ θεωρητικά ήταν γνωστές οι ιδιότητες και η παρουσία των μαύρων οπών από τη θεωρία της γενικής σχετικότητας, τα απτά στοιχεία για αυτές είναι ένα πρόσφατο φαινόμενο.

Οι αστρονόμοι μήπως προσπαθούν με μαγικές δυνάμεις να δουν αυτές τις περιοχές στο διάστημα, που είναι τόσο πυκνές που τίποτα ακόμη και το φως, δεν μπορεί να δραπετεύσει από τη βαρυτική έλξη τους; Φυσικά και δεν είναι έτσι.

Τελευταία έμμεσα στοιχεία από τα τηλεσκόπια των ακτίνων X έχουν αποκαλύψει αποκαλυπτικά σημάδια χιλιάδων μαύρων οπών κρυμμένων τόσο στο Γαλαξία μας όσο και πιο πέρα. Πολλές από αυτές είναι κατάλοιπα των άστρων που τελείωσαν τα καύσιμά τους. Αλλά άλλες μαύρες τρύπες πολύ πιο μεγάλες - σαν τέρατα - μπορούν να καταπίνουν ακόμα κι ένα αστέρι, μοιάζουν  σαν όρος του Έβερεστ που απορροφά τις χιονοωιφάδες.

Παρατηρώντας τις με τις ακτίνες X αλλά και άλλες τεχνικές, οι ερευνητές ελέγχουν τα χαοτικά περιβάλλοντα γύρω από αυτές τις μαύρες τρύπες και προσπαθούν έτσι να λύσουν μερικά μακροχρόνια μυστήρια.

Αλλά σε κάθε ερώτηση που απαντιέται, ένα νέο μυστήριο φαίνεται να σκάει μύτη.

Δύο μεγέθη

Οι μαύρες τρύπες υπάρχουν σε τουλάχιστον δύο διαφορετικά μεγέθη, σύμφωνα με τους αστρονόμους. Είναι οι αστρικές μαύρες τρύπες, που σχηματίζονται από το θάνατο και τη βαρυτική κατάρρευση ενός μεγαλύτερου άστρου από τον ήλιο μας, με σχεδόν 10 έως 20 ηλιακές μάζες. Αλλά οι άλλες, οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες περιέχουν εκατομμύρια έως δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του ήλιού μας, και κρύβονται στα κέντρα πολλών γαλαξιών.

Παραμένει δε ασαφές εάν υπάρχει μια άλλη κατηγορία μεσαίου βάρους, όπως έχουν προτείνει μερικοί αστρονόμοι.

Κατά τη διάρκεια χιλιάδων ετών, οι μαύρες τρύπες γίνονται ακόμα μεγαλύτερες καταναλώνοντας υλικό από τα περίχωρά τους. Λίγο προτού το διαστρικό αέριο και η σκόνη απορροφηθούν από μια μαύρη τρύπα, αυτή η ύλη θερμαίνεται τόσο, που εκπέμπει ρεύματα ακτίνων X. Το παρατηρητήριο Chandra των ακτίνων X της NASA και άλλα τηλεσκόπια μας έδωσαν εικόνες αυτής της ακτινοβολίας.

Με αυτό τον τρόπο οι αστρονόμοι επισήμαναν την πρώτη αστρική μαύρη τρύπα, που ονομάστηκε Cygnus Χ-1, το 1971. Από τότε, χιλιάδες μαύρες τρύπες έχουν επισημανθεί, και δίνουμε απαντήσεις σε πολλές ερωτήσεις. Και το 2001, οι παρατηρήσεις του Cygnus 1 έδωσαν την πρώτη καλή γνώση του υλικού που περιέρχεται μέσα σε μια μαύρη τρύπα.

"Απαντάμε σε πολλές ερωτήσεις, αλλά όπως είναι συνηθισμένο για κάθε ερώτηση που εξηγούμε έχουμε δύο νέες ερωτήσεις", λέει ο Christopher Reynolds, αστροφυσικός στο πανεπιστήμιο της πολιτείας Μέρυλαντ, στο College Park.

Μια ερώτηση που γίνεται εδώ και πολύ καιρό είναι: Πώς μια μαύρη τρύπα κατορθώνει να απορροφήσει το αέριο και τη σκόνη γύρω της;

Ακριβώς όπως ο μηχανισμός που κρατά τους πλανήτες σε τροχιά γύρω από τον ήλιο, η στροφορμή θα πρέπει να διατηρεί το στροβιλισμό του αερίου και της σκόνης γύρω από τις μαύρες τρύπες για πάντα.

"Επειδή ένας πλανήτης έχει τροχιακή στροφορμή, αυτή διατηρείται όπως ο πλανήτης στρέφεται γύρω από τον ήλιο και αυτό το αέριο θα κάνει ακριβώς το ίδιο πράγμα. Εκτός και αν κάτι το εμποδίζει, θα διατηρηθεί σε τροχιά γύρω από τη μαύρη τρύπα", εξηγεί ο Reynolds.

Δεξιά στο δυαδικό σύστημα GRO J1655-40 η μαύρη τρύπα που φιλοξενείται έχει 7-πλάσια μάζα από τον ήλιο, και πάνω της πέφτει ύλη από ένα κανονικό άστρο με διπλάσια ηλιακή μάζα. Ένας άνεμος ιοντισμένων ατόμων κινούνται με υψηλή ταχύτητα από τη μαύρη τρύπα και η κίνηση αυτή δημιουργεί τα στροβιλώδη μαγνητικά πεδία που ασκούν μαγνητικές δυνάμεις τριβής στο αέριο.   Όπως δείχνει και η εικόνα, ένα μεγάλο μέρος του καυτού αερίου κινείται σπειροειδώς προς το εσωτερικό της μαύρης τρύπας, αλλά περίπου το 30% φεύγει μακριά, προς τα έξω. Συγχρόνως, τα αέρια που φεύγουν από το δίσκο μεταφέρουν την γωνιακή στροφορμή τους προς τα έξω, κι έτσι μπορεί το υπόλοιπο αέριο να πέσει προς το εσωτερικό. Η μαγνητική τριβή θερμαίνει επίσης το αέριο στο εσωτερικό μέρος του δίσκου σε τέτοιες θερμοκρασίες που εκπέμπονται ακτίνες Χ.

Η βαρύτητα δεν είναι από μόνη της αρκετή για να αναγκάσει το αέριο, σε έναν δίσκο γύρω από μια μαύρη τρύπα, να χάσει ενέργεια και να πέσει επάνω στη μαύρη τρύπα με τα ρυθμό που απαιτείται από τις παρατηρήσεις. Το αέριο πρέπει να χάσει κάποια από την τροχιακή στροφορμή του, είτε μέσω της τριβής είτε ενός ανέμου, προτού να μπορέσει να κινηθεί σπειροειδώς προς το εσωτερικό. Χωρίς τέτοια αποτελέσματα, η ύλη θα μπορούσε να παραμείνει σε τροχιά γύρω από μια μαύρη τρύπα για έναν πολύ μεγάλο χρόνο.

Οι επιστήμονες τελικά κατέληξαν στην άποψη ότι η μαγνητική αναταραχή θα μπορούσε να παραγάγει την απαιτούμενη τριβή σε έναν αεριώδη δίσκο, και να αναγκάσει έτσι να φύγει ένας άνεμος του αερίου από το δίσκο μεταφέροντας γωνιακή στροφορμή προς τα έξω, κάτι που θα επιτρέψει στο αέριο να πέσει προς το εσωτερικό.

Την άποψη αυτή πρόσφατα υποστήριξαν ο Jon Miller του πανεπιστημίου του Μίτσιγκαν στο Ann Arbor μαζί με τον Reynolds, βρίσκοντας δηλαδή στοιχεία για το ρόλο των μαγνητικών πεδίων.

Η ομάδα τους μελέτησε το σύστημα GRO J1655-40, ένα δυαδικό σύστημα που αποτελείται από μια μαύρη τρύπα με 7 φορές τη μάζα του ήλιου, που καταναλώνει αέριο που προέρχεται όμως από το συνοδό αστέρι της. Οι εικόνες από το Chandra μας αποκάλυψαν έναν άνεμο φορτισμένων σωματιδίων, που εκρήγνυνται από τον αεριώδη δίσκο προσαύξησης. Και το συμπέρασμα της ομάδας είναι ότι  αυτόν τον θερμό άνεμο τροφοδοτεί ένα μαγνητικό πεδίο.

Το φορτισμένο 'αεράκι' θα μπορούσε να μεταδώσει την ενέργεια περιστροφής του δίσκου προσαύξησης. Με το θήραμά της αποδυναμωμένο, μια μαύρη τρύπα θα μπορούσε έπειτα να απορροφήσει τα κοντινά σωματίδια του αερίου.

Κι άλλα μυστήρια

Το 2000, η Andrea Ghez, ένας αστρονόμος στο πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Λος Άντζελες, και οι συνάδελφοι της, έλαβαν τις πιο λεπτομερείς παρατηρήσεις μέχρι τώρα της περιοχής γύρω από μια σουπερ-ογκώδη μαύρη τρύπα, που κατοικεί στο κέντρο του Γαλαξία μας και που περιέχει 3 έως 4 εκατομμύρια φορές τη μάζα του ήλιου. Για δεκαετίες υποψιαζόμαστε την ύπαρξη αυτής της γαλαξιακής μαύρης τρύπας, αλλά η ατμοσφαιρική διαταραχή είχε αποτρέψει να πάρουμε σαφείς εικόνες της δραστηριότητας πολύ κοντά στο θηρίο.

Για τέσσερα χρόνια η Ghez παρατηρούσε τα αστέρια γύρω από το γαλαξιακό κέντρο να κινούνται με ταχύτητες μεγαλύτερες από 5 εκατομμύρια χιλιόμετρα την ώρα. Από τις τροχιές μερικών από τα αστέρια αυτά, η Ghez θα μπορούσε να υπολογίσει τη μάζα της μαύρης τρύπας. Παρόμοιες παρατηρήσεις που έγιναν από μια ευρωπαϊκή ομάδα το 2002 επιβεβαίωσαν τη μάζα της μαύρης τρύπας και το γεγονός ότι θεωρητικά τουλάχιστον, δεν μπορεί να είναι τίποτα άλλο παρά μόνο μια μαύρη τρύπα.

Η Ghez ανέφερε ότι δεν είναι εξ ολοκλήρου σαφές πώς διαμορφώνονται αυτές οι γαλαξιακές μαύρες τρύπες.

"Μια σκέψη είναι ότι μπορεί να είχαν διαμορφωθεί από την πρώτη γενεά των αστεριών στον Κόσμο μας, τα οποία ήταν πιο μεγάλα από τα αστέρια που σχηματίζονται σήμερα", εξηγεί.

Φυσικά, μαζί με τα συμπεράσματά της ήρθε κι ένα άλλο μυστήριο. Η Ghez και άλλοι έχουν επισημάνει πολύ νεαρά αστέρια κοντά σε αυτήν την σούπερ μαύρη τρύπα. Η θεωρία μας λέει ότι η τιτάνια έλξη μιας μαύρης τρύπας πρέπει να εμποδίζει το σχηματισμό αστεριών. Άρα πώς υπάρχουν νεαρά άστρα;

"Κι αυτό δημιουργεί το πρόβλημα του "παράδοξου της νεολαίας", εξηγεί η  Ghez.

Έτσι ακόμη και με πιο πολλή εξέταση, οι μαύρες τρύπες παραμένουν μερικούς από τους πιο αινιγματικούς κατοίκους του σύμπαντος.