Μεγάλη ακρίβεια στην έρευνα των μαύρων οπών

Πηγή: Ohio Supercomputer Center, 25 Αυγούστου 2006

Αν και οι μαύρες τρύπες δεν μπορούν να παρατηρηθούν άμεσα, είναι σχετικά εύκολο να βρεθούν. Η ύλη που κινείται σπειροειδώς προς μια μαύρη τρύπα υπερθερμαίνεται, ακτινοβολεί έντονα, και είναι ορατή σε όλο το σύμπαν. Μια νέα προσομοίωση σε υπερυπολογιστές έχει υπολογίσει με ακρίβεια την ενέργεια των ατόμων που είναι κοντά σε μια μαύρη τρύπα. Κι αυτό είναι πολύ σημαντικό, επειδή οι αστρονόμοι που εργάζονται με τις μαύρες τρύπες θα βασίσουν τις υποθέσεις τους σε αυτά τα ατομικά στοιχεία. Οι νέοι υπολογισμοί μειώνουν τα πιθανά ποσοστά του λάθους σε μερικά τοις εκατό μόνο, ενισχύοντας την ακρίβεια άλλων ερευνών.

Προσομοίωση σε υπολογιστές μιας μαύρης τρύπας

Τα υπέρθερμα άτομα στο διάστημα κρατούν το κλειδί για ένα αστρονομικό μυστήριο, και ένας αστρονόμος του πολιτειακού πανεπιστημίου του Οχάιου είναι επικεφαλής της προσπάθειας να μελετηθούν αυτά τα άτομα εδώ στη Γη.

Ο Ινδός Anil Pradhan, καθηγητής της αστρονομίας, και η ομάδα του έχει χρησιμοποιήσει υπερυπολογιστές για να εκτελέσει τους ακριβέστερους υπολογισμούς της ενέργειας που έχουν γίνει ποτέ για αυτά τα άτομα και τις ιδιότητές τους. Κατά συνέπεια, οι αστρονόμοι - ειδικότερα, αυτοί που κυνηγούν τις μαύρες τρύπες - θα έχουν μια καλύτερη ιδέα γι αυτό που εξετάζουν όταν παρατηρούν τη μακρινή διαστημική ύλη χρησιμοποιώντας τα τηλεσκόπια των ακτίνων X.

Τα αποτελέσματα εμφανίζονται στο τεύχος του Σεπτεμβρίου του Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics.

Και ενώ το περιεχόμενο της επιστημονικής ανακοίνωσης είναι ιδιαίτερα τεχνικό, αυτή αναμιγνύει την ατομική φυσική, τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, τις αστρονομικές παρατηρήσεις, και μερικούς από τους παγκόσμιους γρηγορότερους υπερυπολογιστές.

Οι αστρονόμοι έχουν κατασκοπεύσει θάλασσες από υπέρθερμα άτομα με μορφή πλάσματος, που περιβάλλουν τα κέντρα των πολύ φωτεινών γαλαξιών, των γνωστών ενεργών γαλαξιακών πυρήνων (AGN). Το πλάσμα αυτό είναι πιθανά ένα αποκαλυπτικό σημάδι μιας μαύρης τρύπας. Η ίδια η μαύρη τρύπα είναι μεν αόρατη, αλλά οποιοδήποτε υλικό που κινείται σπειροειδώς προς αυτήν πρέπει να είναι πολύ καυτή, και να ακτινοβολεί έντονα στις ακτίνες X.

Πριν μπορέσει ο καθένας να αποδείξει οριστικά εάν οι ενεργοί γαλαξίες περιέχουν μαύρες τρύπες, οι αστρονόμοι πρέπει να μετρήσουν τα ενεργειακά επίπεδα των διεγερμένων ατόμων στο πλάσμα με πολύ ακρίβεια, και να ταιριάζουν με τις μετρήσεις που ξέρουν από την ατομική φυσική.

Η βεβαίωση της ακρίβειας των ατομικών δεδομένων δεν φαίνεται σαν την πιο συναρπαστική εργασία στην αστρονομία, αναγνωρίζει ο Pradhan - αλλά είναι πολύ σημαντική.

"Οι περισσότεροι αστρονόμοι το παίρνουν για δεδομένο ότι τα ατομικά στοιχεία που παραπέμπουν είναι σωστά - προκειμένου να ερμηνευθούν οι παρατηρήσεις τους," λέει.

Επί 30 χρόνια, ο Ινδός καθηγητής της αστρονομίας έχει δουλέψει σε αυτό το πρόβλημα. Τα νέα δεδομένα υψηλής ευκρίνειας των ακτίνων X που συγκεντρώθηκαν από το των παρατηρητήριο Chandra των ακτίνων X της NASA και ο δορυφόρος XMM-Newton της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας τον κέντρισαν αρκετά. Πιστεύοντας ότι τέτοιες υψηλής ποιότητας παρατηρήσεις απαιτούσαν πολύ καλά ατομικά στοιχεία, αυτός και η ομάδα του - που περιλαμβάνει και τον Sultana Nahar από το Οχάιο - αποφάσισαν να κάνουν τους πλέον ακριβέστερους ατομικούς υπολογισμούς.

Μετά από πολλά χρόνια δημιουργίας του υπολογιστικού κώδικα καθώς και χιλιάδων ωρών υπολογισμού στο κέντρο υπερυπολογιστών του Οχάιο, υπολόγισαν τα ενεργειακά επίπεδα ατόμων υψηλής θερμοκρασίας, από τον άνθρακα ως το σίδηρο - δηλαδή τα άτομα που βρέθηκαν σε αυτό το πλάσμα.

Μερικές από τις προηγουμένως αποδεκτές τιμές για αυτά τα άτομα είχαν αναγνωρίσει ποσοστά λάθους από 30% έως διπλάσια ή τριπλάσια. Με τους νέους υπολογισμούς που αναφέρονται σε αυτήν την μελέτη, το λάθος για όλα τα άτομα έχει μειωθεί σε μερικά μόνο τοις εκατό.

Αυτό σημαίνει ότι από τώρα και στο εξής, όταν καταγράφουν οι αστρονόμοι τις εικόνες σε ακτίνες X των αντικειμένων στο διάστημα, θα έχουν μια πολύ καλύτερη ιδέα από ποιά άτομα αποτελείται το υλικό που εξετάζουν, και την  φυσική κατάσταση στο εσωτερικό αυτού του αντικειμένου.

Το άτομο που οι περισσότεροι κυνηγοί μαύρων οπών ενδιαφέρονται είναι ο σίδηρος, γιατί σε αυτά αναλαμβάνει δράση η Γενική Σχετικότητα του Αϊνστάιν.

Η τεράστια βαρύτητα μιας μαύρης τρύπας πρέπει, σύμφωνα με τη σχετικότητα, να διαστρεβλώσει το σήμα των ακτίνων X όπως φαίνεται από τη Γη, ιδιαίτερα για τα άτομα του σιδήρου. Το σήμα είναι ένα γραμμικό φάσμα, σαν μια σειρά γραμμών, με το κάθε άτομο να έχει τη γραμμή του. Μια γραμμή ειδικότερα, που ονομάζεται γραμμή του σιδήρου Κ-άλφα, εμφανίζεται διευρυμένη στις ακτίνες X που προέρχονται από το κέντρο των ενεργών γαλαξιών, και μάλιστα αναφέρεται συχνά ως η βασική ένδειξη μιας μαύρης τρύπας.

Δέκα τρία χρόνια πριν, ο Pradhan, ο Nahar και οι συνάδελφοί τους άρχισαν μια μελέτη για τα άτομα του σιδήρου. Ο στόχος τους, εν μέρει, ήταν να ανακαλύψουν γιατί η Κ-άλφα γραμμή του σιδήρου διευρύνεται και ποιές είναι οι επιπτώσεις για την αστρονομία των ακτίνων X.

"Η πλέον άμεση παρατήρηση μιας μαύρης τρύπας θεωρείται η Κ-άλφα γραμμή του σιδήρου", λέει ο Pradhan. "Έτσι είναι πολύ σημαντικό να ανακαλυφθεί εάν διευρύνεται επειδή υπάρχει μια μαύρη τρύπα εκεί κοντά, ή εάν υπάρχει κάποια άλλη αιτία."

Είναι δε αισιόδοξος ότι οι αστρονόμοι θα εφαρμόσουν τα νέα στοιχεία του στις μελέτες της Κ-άλφα γραμμής του σιδήρου και να βοηθήσουν στη λύση του μυστήριου.