Βρέθηκαν εκατοντάδες αρχαίες μαύρες τρύπες στο βαθύ διάστημα

Πηγή: ScienceDaily, 26 Οκτωβρίου 2007

Εκατοντάδες "χαμένες" μαύρες τρύπες βρέθηκαν κρυμμένες σε γαλαξίες γεμάτο σκόνη, κάπου 9 έως 11 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά, ενώ υπήρχαν σε μία εποχή που η ηλικία του σύμπαντος ήταν μεταξύ 2,5 και 4,5 δισεκατομμυρίων ετών.

"Οι ενεργές, υπερβαρέες μαύρες τρύπες ήταν παντού στον πρώιμο Κόσμο", λέει το μέλος της ομάδας μελέτης Mark Dickinson  του Εθνικού Οπτικού Παρατηρητήριου Αστρονομίας στο Tuscon της Αριζόνας. "Είχαμε δει την κορυφή του παγόβουνου πριν από την αναζήτηση αυτών των αντικειμένων. Τώρα, μπορούμε να δούμε το ίδιο το παγόβουνο."

Αριστερά: η εικόνα αυτή που τραβήχτηκε από το διαστημικό παρατηρητήριο Spitzer, δείχνει ένα κλάσμα των μαύρων οπών που βρίσκονται βαθιά μέσα στους μακρινούς μεγάλους γαλαξίες (μέσα στους γαλάζιους κύκλους).

Η ανακάλυψη, που εκτίθεται λεπτομερώς σε δύο μελέτες που δημοσιεύονται στο Αστροφυσικό Περιοδικό, είναι τα πρώτα άμεσα στοιχεία ότι οι περισσότεροι, εάν όχι κι όλοι, μεγάλοι γαλαξίες στον απόμακρο Κόσμο ξόδεψαν τα νιάτα τους κατασκευάζοντας υπερβαρέες μαύρες τρύπες στους πυρήνες τους.

Θα μπορούσε, επίσης, να βοηθήσει για να απαντηθούν τα θεμελιώδη ζητήματα για το πώς  εξελίχθηκαν οι μεγάλοι γαλαξίες όπως ο Γαλαξίας μας.

Χρησιμοποιώντας τα διαστημικά τηλεσκόπια της NASA Chandra των ακτίνων X και  Spitzer, η ομάδα ανίχνευσε ασυνήθιστα υψηλά επίπεδα υπέρυθρου φωτός που εκπέμφθηκαν από 200 γαλαξίες στον απόμακρο Κόσμο. Οι επιστήμονες σκέφτονται ότι το υπέρυθρο φως δημιουργήθηκε από το υλικό που εισέρχεται στα κβάζαρ -τις υπερβαρέες μαύρες τρύπες που περιβάλλονται από νέφη αερίου και σκόνης σε σχήμα ντόνατς - στο κέντρο των γαλαξιών.

Οι νέοι γαλαξίες που περιέχουν τα κβάζαρ είναι όλοι σχεδόν με ίδια μάζα, όπως του Γαλαξία μας, αλλά έχουν μια ανώμαλη μορφή. Επί δεκαετίες, οι επιστήμονες πρόβλεπαν ότι ένας μεγάλος πληθυσμός κβάζαρ πρέπει να βρίσκεται σε αυτές τις αποστάσεις, αλλά είχαν επισημάνει μόνο μερικά από αυτά.

Τα προσφάτως ανευρεθέντα κβάζαρ επιβεβαιώνουν αυτό που οι επιστήμονες είχαν υποψιαστεί χρόνια τώρα: αυτές οι υπερβαρέες μαύρες τρύπες διαδραματίζουν έναν σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό των άστρων στους ογκώδεις γαλαξίες. Οι παρατηρήσεις προτείνουν ότι οι μεγάλοι γαλαξίες κτίζουν σταθερά τα αστέρια και τις μαύρες τρύπες τους ταυτόχρονα έως ότου αυτοί γίνουν πάρα πολύ μεγάλοι και οι μαύρες τρύπες καταστέλλουν το σχηματισμό των αστεριών.

Δεξιά: Μια μαύρη τρύπα που μεγαλώνει, λέγεται κβάζαρ, φαίνεται με το πορτοκάλι χρώμα στο κέντρο ενός μακρινού γαλαξία. Οι αστρονόμοι έχουν ανακαλύψει σμήνη παρόμοιων κβάζαρ που κρύβονται σε γαλαξίες γεμάτο σκόνη στον απόμακρο Κόσμο. Πίσω από το κβάζαρ, μπορούν να φανούν τα αστέρια που σχηματίζονται σε συγκροτήματα σε όλο το γαλαξία. Άλλοι δε παρόμοιοι γαλαξίες που φιλοξενούν κβάζαρ είναι ορατοί στο υπόβαθρο της εικόνας.

Τα νέα κβάζαρ, επίσης, προτείνουν ότι οι συγκρούσεις μεταξύ των γαλαξιών μπορεί να μην είναι και τόσο σημαντικές για την εξέλιξη γαλαξιών, όπως νόμιζαν παλιά. "Οι θεωρητικοί θεωρούν ότι απαιτούνται συγχωνεύσεις μεταξύ των γαλαξιών για να ξεκινήσουν αυτή την δραστηριότητα τα κβάζαρ, αλλά τώρα βλέπουμε ότι τα κβάζαρ μπορούν να είναι ενεργά μέσα σε αδιατάρακτους και αλώβητους γαλαξίες", τονίζει ο David Alexander μέλος της ομάδας του πανεπιστημίου Durham στη Βρετανία.

Τι είναι οι κβάζαρ;

Οι κβάζαρ είναι οι υπέρλαμπροι πυρήνες γαλαξιών που περιέχουν στο κέντρο τους μια υπερβαρέα μαύρη τρύπα. Η μαύρη τρύπα έλκει αέρια και άστρα από τον γαλαξία που την περιβάλλει (σε ρυθμό 10 έως 20 αστέρια κάθε χρόνο), τα οποία, λόγω της έλξης, αποκτούν στροφορμή και πολύ συχνά σχηματίζουν ένα δίσκο συσσώρευσης γύρω από αυτή.

Καθώς ο δίσκος συσσώρευσης περιστρέφεται, τα αέρια και η σκόνη του θερμαίνονται όλο και περισσότερο, εξαιτίας της βαρύτητας και της τριβής. Το γεγονός αυτό είναι που δημιουργεί την έντονη ακτινοβολία του κβάζαρ. Πολύ συχνά οι δίσκοι συσσώρευσης των κβάζαρ συνοδεύονται από δύο πίδακες, ένας σε κάθε πλευρά τους. Οι πίδακες αυτοί είναι μαγνητισμένα νέφη ηλεκτρονίων που κινούνται με σχετικιστικές ταχύτητες.

Οι κβάζαρ ανήκουν σ' εκείνη την κατηγορία των ουράνιων σωμάτων που ονομάζουμε "ενεργούς" γαλαξίες. Οι κβάζαρ, αν και δεν ξεπερνούν κατά πολύ σε μέγεθος τον ήλιο, είναι εκατοντάδες φορές πιο λαμπροί 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 σε ακτίνες-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.

Η συνολική ενέργεια που εκπέμπουν οι κβάζαρ είναι τεράστια: ένας μεγάλος αριθμός τους εκπέμπει ενέργεια με ρυθμό μια ηλιακή μάζα ανά χρόνο. Η ακτινοβολία που εκπέμπει ένας κβάζαρ σε όλα τα μήκη κύματος μεταβάλλεται πάρα πολύ μέσα σε μια χρονική περίοδο μερικών μηνών ή, και σε ορισμένες περιπτώσεις, μερικών ημερών.

Πού, όμως, οφείλεται η τεράστια έκλυση ενέργειας ενός κβάζαρ;

Ένα άστρο παράγει ενέργεια η οποία εκλύεται από πυρηνικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό του. Με τον τρόπο όμως αυτό ένα άστρο στο μέγεθος του ήλιου παράγει μόλις το 1% περίπου της ενέργειας που εκλύεται από έναν κβάζαρ.

Αλλά οι κβάζαρ είναι πυρήνες γαλαξιών οι οποίοι περιέχουν στο κέντρο τους μια μεγάλη μαύρη τρύπα. Η μάζα της μαύρης τρύπας είναι από ένα εκατομμύριο έως ένα δισεκατομμύριο φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του ήλιου, αλλά καταλαμβάνει όγκο ίσο περίπου μ' αυτόν του ήλιου. Καθώς ο δίσκος συσσώρευσης με τα υλικά που προέρχονται από τη γύρω περιοχή περιστρέφεται, τα αέρια και η σκόνη του θερμαίνονται όλο και περισσότερο, εξαιτίας της βαρύτητας και της τριβής. Αυτό είναι που δημιουργεί την έντονη ακτινοβολία. Η παραγωγή ενέργειας είναι 30 φορές μεγαλύτερη από εκείνη των πυρηνικών αντιδράσεων αφού η βαρυτική ενέργεια μετατρέπεται σε ακτινοβολία κατά ένα μεγάλο ποσοστό.

Ο Hawking αναφέρει στο βιβλίο Χρονικό του Χρόνου μια δική του εξήγηση. Η ύλη πέφτοντας κατά την σπειροειδή τροχιά της προς την μαύρη οπή, θα μπορούσε να την αναγκάσει να περιστραφεί προς την ίδια κατεύθυνση δημιουργώντας μαγνητικό πεδίο όπως αυτό της Γης.

Στην περιοχή κοντά στην μαύρη οπή, τα διάφορα σωματίδια ύλης που θα έπεφταν προς αυτήν θα αποκτούσαν πολύ μεγάλη ενέργεια. Επειδή όμως το μαγνητικό πεδίο της οπής θα ήταν πολύ ισχυρό, θα μπορούσε να συγκεντρώσει αυτά τα σωματίδια σε μεγάλους πίδακες που θα εκτινάσσονταν προς τα έξω κατά μήκος του άξονα περιστροφής της. Και πραγματικά, τέτοιοι πίδακες ύλης παρατηρήθηκαν σε αρκετούς γαλαξίες και κβάζαρ.

Αν και η φωτεινότητα των κβάζαρ είναι τεράστια, το τμήμα του δίσκου από το οποίο πηγάζει το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας έχει μέγεθος ανάλογο μ' αυτό του Ηλιακού μας Συστήματος. Οι δίσκοι αυτοί ακτινοβολούν το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειάς τους στο υπεριώδες, ενώ ένα μεγάλο μέρος της ακτινοβολίας είναι πιθανόν ακτινοβολία σύγχροτρον.

Πιστεύεται ότι οι δίσκοι συσσώρευσης των κβάζαρ εκτείνονται χιλιάδες έτη φωτός μακριά από την κεντρική μαύρη τρύπα, έχουν αρκετό πάχος και ίσως είναι παραμορφωμένοι. Εξαιτίας του πάχους του, ο δίσκος ενός κβάζαρ συλλαμβάνει αρκετή από την υπεριώδη ακτινοβολία των κεντρικών του τμημάτων και την επανεκπέμπει στο υπέρυθρο.

Πολύ συχνά οι δίσκοι συσσώρευσης των κβάζαρ συνοδεύονται από δύο πίδακες, έναν σε κάθε πλευρά τους. Οι πίδακες αυτοί είναι μαγνητισμένα νέφη ηλεκτρονίων που κινούνται με σχετικιστικές ταχύτητες. Το σχήμα και η συμπεριφορά των πιδάκων διέπονται από τη διατήρηση της ορμής (σε αντιδιαστολή με τη διατήρηση της στροφορμής, που διέπει τους δίσκους συσσώρευσης). Ένας πίδακας εξακολουθεί να κινείται σε ευθεία γραμμή έως ότου επιβραδυνθεί μεταβιβάζοντος την ορμή του στα γύρω αέρια. Καθώς ο πίδακας επιβραδύνεται, μετατρέπει την κινητική του ενέργεια σε θερμότητα και ακτινοβολία, όπως ακριβώς και οι δίσκοι συσσώρευσης.