Οι μαύρες τρύπες είναι το κλειδί της εξέλιξης της δομής του σύμπαντος

Πηγή: SpaceDaily, 29 Ιουνίου 2007

Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων έχει παραγάγει μια πρωτοφανή προσομοίωση της κοσμικής εξέλιξης που επιβεβαιώνει και εμβαθύνει την γνώση που έχουμε για τη σχέση μεταξύ των μαύρων οπών και των γαλαξιών στους οποίους βρίσκονται. Το ιδιαίτερα περίπλοκο μοντέλο της φυσικής των μαύρων οπών τρέχει σε ένα ισχυρό σύστημα υπερυπολογιστών.

Η προσομοίωση που λέγεται BHCosmo, δείχνει ότι οι μαύρες τρύπες είναι αναπόσπαστο τμήμα στη δομή του σύμπαντος και μπορούν να καθοδηγήσουν τους χρήστες των μελλοντικών τηλεσκοπίων, δείχνοντας τους τι να ψάξουν δεδομένου ότι οι μαύρες τρύπες θα τους βοηθήσουν να εντοπίσουν τα πρώτα πρώτα κοσμικά γεγονότα,  κι έτσι να ξεμπερδέψουν το κουβάρι της ιστορίας του σύμπαντος.

Συγκεκριμένα. πρώτα δημιούργησαν τις αρχικές συνθήκες που ταιριάζουν με τη μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου. Έπειτα έσπειραν την περιοχή που προσομοίωσαν με 250 εκατομμύρια σωματίδια κανονικής ύλης, και τα περιέβαλλαν με μια δύναμη από σκοτεινή ύλη. Το αποτέλεσμα ήταν, όπως λένε οι ερευνητές, τα σωματίδια της ύλης, να καταρρεύσουν και να σχηματίσουν μαύρες τρύπες και γαλαξίες.

Εξέλιξη της δομής στον Κόσμο. Τα στιγμιότυπα από την προσομοίωση παρουσιάζουν την εξέλιξη της δομής σε ένα μεγάλο όγκο του σύμπαντος. Εδώ, παρουσιάζεται η πυκνότητα του αερίου (αυξανόμενη με τη φωτεινότητα) με τη θερμοκρασία (αυξανόμενη από το μπλε προς το κόκκινο χρώμα). Οι κίτρινοι κύκλοι δείχνουν τις μαύρες τρύπες (η μάζα αυξάνεται με τη διάμετρο). Σε περίπου 6 δισεκατομμύρια χρόνια, το σύμπαν θα έχει πολλές μαύρες τρύπες και μια έντονη νηματοειδή δομή. 

Η ερευνητική ομάδα οδηγείται από το Carnegie Mellon και περιλαμβάνει επιστήμονες από το Σμιθσονιτικό Κέντρο για την Αστροφυσική του Χάρβαρντ και το Ινστιτούτο Max Planck για την αστροφυσική στη Γερμανία.

"Η δική μας προσομοίωση είναι η πρώτη που ενσωματώνει τη φυσική των μαύρων οπών", λέει η Tiziana Di Matteo, θεωρητικός κοσμολόγος και καθηγήτρια της φυσικής στο Κολέγιο του Carnegie Mellon. "Προσφέρει την καλύτερη εικόνα μέχρι σήμερα για το πώς σχηματίστηκε το σύμπαν."

Η Di Matteo (αριστερά) εκτέλεσε την προσομοίωσή της χρησιμοποιώντας το σύστημα Cray XT3 στο υπερυπολογιστικό κέντρο του Πίτσμπουργκ (PSC).

Οι πειραματικές παρατηρήσεις αποκαλύπτουν ότι οι μαύρες τρύπες είναι σημαντικοί ρυθμιστές του σχηματισμού γαλαξιών και, τελικά, του ιστού του σημερινού σύμπαντος, σύμφωνα με τη Di Matteo. Εντούτοις, οι προηγούμενες προσομοιώσεις δεν έλαβαν υπόψη τους τις τις μαύρες τρύπες, επειδή ήταν απαγορευτική η υπολογιστική ισχύς που απαιτούσε.

"Πρέπει να κάνουμε τις προσομοιώσεις για να καταλάβουμε το ρόλο που έχουν διαδραματίσει οι μαύρες τρύπες στη διαμόρφωση των δομών και του πρώιμου Κόσμου και σήμερα", συμπληρώνει ο Springel ένας από τους ερευνητές.

Οι μεγαλύτερες μαύρες τρύπες, ή υπερβαρέες μαύρες τρύπες, βρίσκονται στο κέντρο κάθε γαλαξία. Μπορούν να προκύψουν αρχικά όταν καταρρέουν τα πρώτα αστέρια υπό την επίδραση της βαρύτητας τους. Καταναλώνουν όμως το πυκνό αέριο που είναι στο περιβάλλον τους, αλλά και αστέρια, και έτσι τείνουν γρήγορα να γίνουν τερατώδεις σε μέγεθος, με μάζα δισεκατομμύρια φορές αυτή του ήλιου μας. Αλλά τα στοιχεία προτείνουν ότι οι υπερβαρέες μαύρες τρύπες είναι αυτο-ρυθμιζόμενες - δεν καταναλώνουν για πάντα με αυτό το ρυθμό και δεν καταπίνουν ποτέ έναν ολόκληρο γαλαξία, εξηγεί η Di Matteo.

Στην προσομοίωσή της, όπως και στην πραγματικότητα, οι γαλαξίες συγκρούονται συνήθως. Οι υπερβαρέες μαύρες τρύπες που ενσωματώνονται στο κέντρο αυτών των γαλαξιών 'χορογραφούν' τη δυναμική της σύγκρουσης των γαλαξιών. Το αποτέλεσμα είναι μια τεράστια εκπομπή της ενέργειας που παράγεται καθώς οι μαύρες τρύπες που συγχωνεύονται σχηματίζουν μια λαμπρή κατάσταση, που λέγεται κβάζαρ.

Η προσομοίωση της Di Matteo κάλυψε μέχρι και 100 εκατομμύρια έτη φωτός, κι αυτό δεν ήταν δυνατόν να γίνει χωρίς ισχυρό υπερυπολογιστή, όπως ο XT3.

Η Di Matteo οργάνωσε τις αρχικές συνθήκες της προσομοίωσης για να μπορέσει να αναδημιουργήσει την παρατηρούμενη σήμερα μικροκυματική κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου που παρήχθη κατά τη γέννηση του σύμπαντος. Κατόπιν 'έσπειρε' στην προσομοίωση 250 εκατομμύρια σωματίδια, που αντιπροσώπευαν την καθημερινή μετρήσιμη ύλη. Για την προσομοίωση, η Di Matteo χρησιμοποίησε ρευστές σφαίρες που αντιπροσώπευε την ύλη, ειδικά το αέριο που ψύχεται.

Αυτό το βήμα ήταν βασικό γιατί έτσι οι ερευνητές θα μπορούσαν να υπολογίσουν όλες τις φυσικές δυνάμεις σε αυτά τα κομμάτια της ύλης. Επίσης, υπολόγισε και τη βαρύτητα που ασκήθηκε από τη σκοτεινή ύλη, μια απαρατήρητη ουσία που είναι το 90% της μάζας του σύμπαντος. Επιπλέον, οι υπολογισμοί της περιείχαν τη ψύξη του αερίου, την ανάπτυξη των μαύρων οπών και της έκρηξης των άστρων.

Τα αποτελέσματα της ήταν εντυπωσιακά. Η προσομοίωση της Di Matteos επιτρέπει στους επιστήμονες να παρακολουθήσουν εύκολα την κατάρρευση των γαλαξιών.

"Έχουμε διαπιστώσει ότι οι πιο ογκώδεις μαύρες τρύπες στην αρχή δεν είναι οι πιο ογκώδεις μαύρες τρύπες που βλέπουμε σήμερα, έτσι η προσομοίωση της δυναμικής εξέλιξης αυτών των δομών είναι κρίσιμη για την κατανόηση της κοσμικής ιστορίας. Θέλω πολύ να προσομοιώσω ολόκληρο τον Κόσμο στις κλίμακες που παρατηρούνται στην Ψηφιακή Έρευνα του Ουρανού Sloan (SDSS)."

Η έρευνα SDSS είναι η μεγαλύτερη έρευνα για την ακτινοβολία στον Κόσμο, που έχει καταχωρήσει σχεδόν 100 εκατομμύρια γαλαξίες μέχρι σήμερα.

"Με τις προσομοιώσεις μας, μπορούμε να προβλέψουμε τι θα μπορούν να παρατηρήσουν τα τηλεσκόπια της επόμενης γενιάς, καθώς θα παρατηρούν πίσω στον χρόνο -  13 δισεκατομμύρια έτη από σήμερα - αμέσως μετά από το Big Bang", λέει η Di Matteo.

Τα κβάζαρ είναι από τα πιο μακρινά και λαμπερά αντικείμενα του Σύμπαντος, που το καθένα τους εκπέμπει ενέργεια εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη από ένα γιγαντιαίο γαλαξία. Η απόσταση τους υπολογίζεται από την μεγάλη μετατόπιση που παρουσιάζει το φάσμα τους προς το ερυθρό.

Σήμερα η κυρίαρχη θεωρία για τα κβάζαρ δέχεται ότι είναι πυρήνες γαλαξιών οι οποίοι περιέχουν στο κέντρο τους μια πολύ μεγάλη μαύρη τρύπα. Η μαύρη τρύπα αυτή έλκει αέρια και γειτονικά άστρα από τον γαλαξία που την φιλοξενεί, τα οποία πριν προλάβουν να πέσουν μέσα στη μαύρη τρύπα ακτινοβολούν τεράστια ποσά ενέργειας. Αυτό είναι που δημιουργεί την έντονη ακτινοβολία των κβάζαρ. Πολύ συχνά οι δίσκοι προσαύξησης των κβάζαρ συνοδεύονται από δύο πίδακες, έναν σε κάθε πλευρά τους. Οι πίδακες αυτοί της ύλης είναι μαγνητισμένα νέφη ηλεκτρονίων που κινούνται με σχετικιστικές ταχύτητες.

Τα κβάζαρ ανήκουν σ' εκείνη την κατηγορία των ουράνιων σωμάτων που ονομάζουμε "ενεργούς" γαλαξίες. Αν και δεν ξεπερνούν κατά πολύ σε μέγεθος τον Ήλιο, είναι εκατοντάδες φορές πιο λαμπεροί από τον ίδιο τον Γαλαξία μας και εκπέμπουν σε μια ευρεία περιοχή του φάσματος: από το υπέρυθρο μέχρι την περιοχή των ακτίνων-Χ ή και σπανιότερα των ακτίνων-γ.

Μια σημαντική μεταβολή της φωτεινότητας ενός κβάζαρ, μέσα σε ένα μήνα για παράδειγμα, σημαίνει πως το μέγεθός του δεν ξεπερνά τον ένα μήνα φωτός. Επομένως, οι κβάζαρ είναι αντικείμενα πολύ μικρά σε σύγκριση με τους γαλαξίες.

Πολλοί αστρονόμοι σήμερα πιστεύουν πως ένα κβάζαρ γεννιέται με τη σύγκρουση δύο μεγάλων γαλαξιών που έχουν παραπλήσιες μάζες. Ίσως να υπάρχει ήδη μια μαύρη τρύπα στο κέντρο κάθε γαλαξία ή μπορεί να δημιουργηθεί μετά τη σύγκρουση. Σε κάθε περίπτωση, η σύγκρουση έχει ως αποτέλεσμα να αρχίσουν να απορροφώνται υλικά από τη μαύρη τρύπα παράγοντας τεράστια ποσά ενέργειας και δίνοντας το έναυσμα για τη δημιουργία του κβάζαρ.

Ένα συνηθισμένο κβάζαρ θα συνεχίσει να ακτινοβολεί για 10 έως 100 εκατομμύρια χρόνια, μέχρις ότου το αέριό του καταναλωθεί από τη μαύρη τρύπα καθώς και από τον σχηματισμό νέων άστρων. Στη συνέχεια θα καταλήξει σ' έναν λαμπρό ελλειπτικό γαλαξία, δηλαδή σ' έναν γαλαξία πολύ μικρής περιεκτικότητας σε σκόνη και αέρια, ή σε έναν φτωχό σε αέρια σπειροειδή γαλαξία.

Home