Μια μαύρη τρύπα βρίσκεται σε μια ασυνήθιστη θέση

Πηγή: ESA, 5 Ιανουαρίου 2007

Αστρονόμοι έχουν βρει μια μαύρη τρύπα εκεί όπου λίγοι σκέφτηκαν ότι θα μπορούσαν ποτέ να υπάρχουν, μέσα σε ένα σφαιρωτό σμήνος άστρων. Η ανακάλυψη αυτή έχει σοβαρές επιπτώσεις στη δυναμική των αστρικών σμηνών, καθώς επίσης και στην ύπαρξη μιας ακόμα θεωρητικής νέας κατηγορίας μαύρων οπών, εκείνων με ενδιάμεση μάζα.

Οι μαύρες τρύπες είναι, εξ ορισμού, αόρατες. Αλλά η περιοχή γύρω από αυτές μπορεί να ακτινοβολεί περιοδικά όταν η μαύρη τρύπα τροφοδοτείται με αέριο από ένα γειτονικό άστρο. Καθώς δε το αέριο πέφτει σε μια μαύρη τρύπα, θερμαίνεται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες και θα ακτινοβολήσει λαμπρά, ιδιαίτερα στις ακτίνες X.

Ο Tom Maccarone του Πανεπιστημίου Σαούθαμπτον στην Αγγλία καθοδηγεί μια διεθνή ομάδα σε αυτή την ανακάλυψη, που γίνεται κυρίως με το δορυφόρο XMM-Newton της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας.

Τα σφαιρωτά σμήνη είναι πυκνές δέσμες χιλιάδων έως εκατομμυρίων παλαιών άστρων, και πολλοί επιστήμονες είχαν αμφιβάλει ότι οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να επιζήσουν μέσα σε ένα τέτοιο αποκλειστικό περιβάλλον.

Οι προσομοιώσεις των υπολογιστών δείχνουν ότι μια πρόσφατα διαμορφωμένη μαύρη τρύπα θα βυθιζόταν αρχικά προς το κέντρο του σμήνους, αλλά γρήγορα εξ αιτίας μιας βαρυτικής 'κλωτσιάς' θα πεταγόταν έξω ολοκληρωτικά κατά την αλληλεπίδραση της με τα μυριάδες αστέρια του σμήνους.

Η νέα ανακάλυψη δίνει τα πρώτα πειστικά στοιχεία ότι κάποια μαύρη τρύπα όχι μόνο μπορεί να επιζήσει αλλά αυξάνεται και ακμάζει στα σφαιρωτά σμήνη. Αυτό που έχει καταπλήξει τους αστρονόμους είναι το πόσο γρήγορα βρέθηκε η μαύρη τρύπα.

"Προετοιμαζόμαστε για μια μακροχρόνια, συστηματική αναζήτηση χιλιάδων σφαιρωτών σμηνών με την ελπίδα της ανακάλυψης μιας μόνο μαύρης τρύπας", λέει ο  Maccarone. "Αλλά φανήκαμε τυχεροί και βρήκαμε μία μόλις αρχίσαμε την αναζήτηση. Ήταν το δεύτερο μόνο σφαιρωτό σμήνος που εξετάσαμε."

Η αναζήτηση συνεχίζει να βρίσκει κι άλλες, είπε ο Maccarone, όμως μόνο μια μαύρη τρύπα χρειάστηκε για να επιλύσει ένα πρόβλημα δεκαετίας για τις μαύρες τρύπες και τα σφαιρωτά σμήνη.

Οι επιστήμονες λένε ότι υπάρχουν δύο κύριες κατηγορίες μαύρων τρυπών. Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που έχουν μια μάζα εκατομμύρια έως δισεκατομμύρια φορές εκείνης του ήλιου και βρίσκονται στον πυρήνα των περισσότερων γαλαξιών, συμπεριλαμβανομένου και του δικού μας. Ένα κβάζαρ είναι ένα είδος υπερμεγέθους μαύρης τρύπας. Οι αστρικές μαύρες τρύπες περιέχουν μια μάζα περίπου δέκα ήλιων. Αυτές δημιουργούνται από την κατάρρευση του πυρήνα πολύ μεγάλων άστρων. Ο Γαλαξίας μας πιθανά περιέχει εκατομμύρια τέτοιων μαύρων οπών.

Η ομάδα του Maccarone βρήκε μια τέτοια αστρική μαύρη τρύπα μέσα σε ένα σφαιρωτό σμήνος σε έναν γαλαξία που ονομάζεται NGC 4472, περίπου πενήντα εκατομμύρια έτη φωτός μακριά στο Σμήνος της Παρθένου.

Το διαστημικό παρατηρητήριο XMM-Newton είναι εξαιρετικά ευαίσθητο στις μεταβλητές πηγές ακτίνων X και μπορεί έτσι να ψάξει γι αυτές σε μεγάλα τμήματα του ουρανού. Η ομάδα χρησιμοποίησε επίσης το παρατηρητήριο Chandra των ακτίνων X της NASA, το οποίο έχει θαυμάσια ανάλυση για να επισημάνει τη θέση της πηγής των ακτίνων X. Αυτό τους βοήθησε να ταιριάξουν τη θέση της πηγής των ακτίνων X με τις οπτικές εικόνες, για να αποδείξουν ότι η μαύρη τρύπα ήταν πράγματι σε ένα σφαιρωτό σμήνος.

Τα σφαιρωτά σμήνη είναι μερικές από τις παλαιότερες δομές στον Κόσμο, που περιέχει αστέρια πάνω από 12 χιλιάδες εκατομμυρίων ετών. Οι μαύρες τρύπες σε ένα σμήνος πιθανώς θα είχαν σχηματιστεί δισεκατομμύρια έτη πριν κι αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι αστρονόμοι έχουν υποθέσει ότι θα είχαν πεταχτεί έξω πολύ χρόνο πριν.

Οι λεπτομέρειες από την ακτινοβολία των ακτίνων X, που ανιχνεύθηκε από το XMM-Newton, αφήνουν μικρή αμφιβολία ότι το αντικείμενο αυτό είναι μια μαύρη τρύπα - το αντικείμενο είναι πάρα πολύ φωτεινό, και μεταβάλλεται πάρα πολύ για να είναι ο,τιδήποτε άλλο. Στην πραγματικότητα, η πηγή είναι "υπερ φωτεινή" στις ακτίνες X ή ULX όπως λέγεται. Τα αντικείμενα ULX είναι φωτεινότερα από το "όριο Eddington" για τις αστρικές μαύρες τρύπες, εκείνο το επίπεδο φωτεινότητας στο οποίο η εξωτερική δύναμη από τις ακτίνες X αναμένεται να ισορροπεί τις ισχυρές δυνάμεις βαρύτητας από τη μαύρη τρύπα. Κατά συνέπεια συχνά προτείνεται ότι το αντικείμενο ULX μπορεί να είναι οι ενδιάμεσες μαύρες τρύπες - δηλαδή μαύρες τρύπες με μάζα χιλιάδες φορές σαν του ήλιου μας, βαρύτερες από τις συνηθισμένες αστρικές μαύρες τρύπες (με μάζα 10 φορές του ήλιου μας), και ελαφρύτερες από τις μαύρες τρύπες στα κβάζαρ, που έχουν μια μάζα εκατομμύρια έως δισεκατομμύρια φορές σαν του ήλιου μας. Αυτές οι μεσαίες μαύρες τρύπες μπορεί να είναι οι ελλείπουσες συνδέσεις μεταξύ των μαύρων τρυπών που διαμορφώθηκαν κατά τους αστρικούς θανάσιμους σπασμούς των μεγάλων αστεριών και αυτών στα κέντρα των γαλαξιών.

Είναι ίσως δυνατό για μια αστρική μαύρη τρύπα να κερδίσει αρκετή μάζα μέσω της συγχώνευσης της με άλλες αστρικές μαύρες τρύπες ή με αέριο άλλων γειτονικών της αστεριών για να μείνει κλειδωμένη σε ένα σμήνος. Το όριο για να μείνει εκεί μέσα είναι περίπου 100 ηλιακές μάζες. Μόλις περιχαρακωθεί, η μαύρη τρύπα έχει την ευκαιρία να συγχωνευτεί με άλλες μαύρες τρύπες ή να πάρει αέριο από μια τοπική γειτονιά γεμάτη με ουσίες από άστρα. Κατ' αυτό τον τρόπο, θα μπορούσαν να αυξηθούν σε ενδιάμεσου βάρους μαύρες τρύπες ή IMBH.

"Εάν μια μαύρη τρύπα είναι αρκετά ογκώδης, υπάρχει αρκετή πιθανότητα ότι μπορεί να επιζήσει των πιέσεων μέσα σε ένα σφαιρωτό σμήνος, δεδομένου ότι θα είναι πάρα πολύ βαριά για να πεταχτεί προς τα έξω", εξηγεί ο Arunav Kundu του πολιτειακού πανεπιστημίου του Μίτσιγκαν. "Κι αυτό είναι που μας ιντριγκάρει σε αυτήν την ανακάλυψη. Μπορούμε να δούμε πώς μπορεί να αυξηθεί μια μαύρη τρύπα αρκετά, να γίνει περισσότερο περιχαρακωμένη στο σμήνος, και να αυξηθεί έπειτα λίγο περισσότερο.

Η ανακάλυψη δημοσιεύεται στο Nature.