Ξεδιπλώνοντας τις ιδέες που έχουμε για τις μαύρες τρύπες

Άρθρο, Ιούλιος 2003

Οι περισσότεροι ξέρουμε ότι ένα αστέρι είναι ένας τεράστιος, καταπληκτικός αντιδραστήρας σύντηξης των ελαφρών στοιχείων. Επειδή τα αστέρια έχουν πολύ μάζα και είναι φτιαγμένα από αέριο, υπάρχει ένα ισχυρό βαρυτικό πεδίο, που προσπαθεί πάντα να φέρει βαρυτική κατάρρευση στο άστρο. Οι αντιδράσεις σύντηξης, που συμβαίνουν στον πυρήνα του άστρου, είναι σαν μια γιγαντιαία βόμβα σύντηξης που προσπαθεί να ανατινάξει το άστρο. Η ισορροπία μεταξύ των βαρυτικών δυνάμεων και των εκρηκτικών δυνάμεων είναι αυτό που καθορίζει εν τέλει το μέγεθος του αστεριού. 

Καθώς όμως το άστρο πεθαίνει, οι πυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης σταματούν, επειδή τα καύσιμα για αυτές τις αντιδράσεις συνεχώς μειώνονται λόγω καύσης και τελικά τελειώνουν. Στον ίδιο χρόνο, η βαρύτητα του άστρου ωθεί το υλικό προς το εσωτερικό και συμπιέζει τον πυρήνα. Καθώς ο πυρήνας συμπιέζεται, θερμαίνεται και δημιουργεί τελικά τη γνωστή έκρηξη σουπερνόβα στην οποία το υλικό του άστρου και η ακτινοβολία εκτινάσσεται προς το διάστημα. Το υλικό που παραμένει σχηματίζει ένα πυρήνα ιδιαίτερα συμπιεσμένο και εξαιρετικά μεγάλης μάζας. Η βαρύτητα του πυρήνα είναι τόσο ισχυρή που ακόμα και το φως δεν μπορεί να δραπετεύσει. Αυτό το αντικείμενο είναι τώρα μια μαύρη τρύπα και εξαφανίζεται, κυριολεκτικά, από το ορατό πεδίο. Επειδή η βαρύτητα του πυρήνα είναι πάρα πολύ ισχυρή, ο πυρήνας βυθίζεται μέσα στη δομή του χωρόχρονου, δημιουργώντας μια τρύπα στο χωρόχρονο. Γι' αυτό και τα αντικείμενα αυτά λέγονται μαύρες τρύπες.

Ο πυρήνας γίνεται το κεντρικό μέρος της μαύρης τρύπας, που λέγεται ιδιομορφία ή ανωμαλία. Το άνοιγμα της τρύπας ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων. Μπορούμε να σκεφτούμε τον ορίζοντα γεγονότων ως το στόμα της μαύρης τρύπας. Μόλις περάσει ένα σώμα τον ορίζοντα γεγονότων, μπορεί να θεωρηθεί ότι εξαφανίστηκε. Έτσι και εισήλθε μέσα στον ορίζοντα γεγονότων, όλα τα "γεγονότα" (τα σημεία του χωρόχρονου) σταματούν, και τίποτα (ακόμα και το φως) δεν μπορούν να δραπετεύσει.

Ιστορικά τώρα η ιδέα ενός αντικειμένου από το οποίο δεν θα μπορούσε να δραπετεύσει το φως (μαύρη τρύπα) προτάθηκε αρχικά από τον Pierre Simon Laplace το 1795, χρησιμοποιώντας τη θεωρία της βαρύτητας του Νεύτωνα. Ο Laplace υπολόγισε ότι εάν ένα αντικείμενο συμπιεζόταν σε μια αρκετά μικρή ακτίνα, τότε η ταχύτητα διαφυγής αυτού του αντικειμένου θα ήταν μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός. 

Υπάρχουν δύο τύποι μαύρων οπών

Η μαύρη τρύπα Schwarzschild είναι η απλούστερη μαύρη τρύπα, στην οποία ο πυρήνας δεν περιστρέφεται. Αυτός ο τύπος της μαύρης τρύπας έχει μόνο μια ανωμαλία και έναν ορίζοντα γεγονότων.

Η μαύρη τρύπα Kerr, που είναι πιθανώς η πιο κοινή μορφή στη φύση, περιστρέφεται επειδή το αστέρι από το οποίο σχηματίστηε περιστρεφόταν κι αυτό. Όταν το περιστρεφόμενο άστρο καταρρέει, ο πυρήνας του συνεχίζει να περιστρέφεται, και αυτό συνεχίζεται στη μαύρη τρύπα (διατήρηση της στροφορμής).

Όμως μπορούμε να μετρήσουμε τη μάζα της μαύρης τρύπας αξιόπιστα μόνο από την κίνηση άλλων αντικειμένων γύρω από αυτήν. Εάν μια μαύρη τρύπα έχει ένα αντικείμενο σαν συνοδό, πχ ένα άλλο αστέρι ή κάποιο δίσκος υλικού, είναι πιθανό να μετρηθεί η ακτίνα της περιστροφής του συνοδού άστρου ή η ταχύτητα της τροχιάς του υλικού γύρω από την αθέατη μαύρη τρύπα. Τελικά η μάζα της μαύρης τρύπας μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον τροποποιημένο τρίτο νόμο του Kepler για την πλανητική κίνηση ή της περιστροφικής κίνησης.  

Εύρεση μιας μαύρης τρύπας

Μέθοδος 1 : Πολλές μαύρες τρύπες έχουν ορισμένα αντικείμενα γύρω τους, και βλέποντας τη συμπεριφορά των αντικειμένων αυτών μπορούμε να ανιχνεύσουμε την παρουσία μιας μαύρης τρύπας. Χρησιμοποιώντας έπειτα τις μετρήσεις της κίνησης των αντικειμένων γύρω από μια πιθανή μαύρη τρύπα υπολογίζουμε τη μάζα της μαύρης τρύπας. Αυτό που ψάχνουμε είναι ένα άστρο ή ένας δίσκος αερίου που συμπεριφέρεται σαν να υπάρχει μια τεράστια μάζα κοντά του.

Στον πυρήνα του γαλαξία NGC 4261, υπάρχει ένας καφετής περιστρεφόμενος δίσκος, που σχηματίζει σπείρες. Ο δίσκος έχει μέγεθος σαν το ηλιακό μας σύστημα, αλλά ζυγίζει 1.2 δισεκατομμύρια φορές περισσότερο του ήλιου μας. Αυτή η τεράστια μάζα του δίσκου είναι ένδειξη ότι κάπου εκεί, μέσα στο δίσκο,  είναι παρούσα μια μαύρη τρύπα.

Μέθοδος 2 : Η Γενική Θεωρία της σχετικότητας του Einstein πρόβλεψε ότι η βαρύτητα θα μπορούσε να κάμψει το χώρο. Αυτό επιβεβαιώθηκε αργότερα κατά τη διάρκεια μιας ηλιακής έκλειψης, όταν μετρήθηκε η θέση ενός αστεριού πριν από αυτήν, κατά τη διάρκεια της και μετά από την έκλειψη. Η θέση του αστεριού μετατοπίστηκε επειδή το φως από το άστρο κάμφθηκε από το πεδίο βαρύτητας του ήλιου. Επομένως, ένα αντικείμενο με τεράστια βαρύτητα (όπως λόγου χάριν ένας γαλαξίας ή μια μαύρη τρύπα) μεταξύ της Γης και ενός απομακρυσμένου αντικειμένου θα μπορούσε να κάμψει τη πορεία της ακτίνας του φωτός, από το απόμακρο αντικείμενο σε μια θέση-εστία, όπως κάνει και ένας οπτικός φακός. Αυτού του είδους η εστίαση λέμε ότι προκαλείται από βαρυτικούς φακούς.

Για παράδειγμα, η άνοδος της λαμπρότητας του αντικειμένου MACHO-96-BL5 συνέβη όταν δημιουργήθηκε ένας βαρυτικός φακός ανάμεσα αυτού και της Γης. Όταν το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble κοίταξε στο αντικείμενο, είδε δύο εικόνες του αντικειμένου στενού μαζί, το οποίο έδειξε μια βαρύτητας επίδραση φακών. Το επεμβαίνοντας αντικείμενο ήταν απαρατήρητο. Επομένως, ολοκληρώθηκε ότι μια μαύρη τρύπα είχε περάσει μεταξύ της Γης και του αντικειμένου.

Μέθοδος 3 : Όταν κάποιο υλικό πέφτει σε μια μαύρη τρύπα από ένα συνοδό-άστρο, αρχίζει να θερμαίνεται σε εκατομμύρια βαθμούς Kelvin και να επιταχύνεται. Τα υπέρθερμα υλικά τότε εκπέμπουν ακτίνες-X, οι οποίες μπορούν να ανιχνευθούν από ειδικά τηλεσκόπια ακτίνων X, όπως είναι το διαστημικό παρατηρητήριο Chandra.  

Επί προσθέτως με τις ακτίνες X, οι μαύρες τρύπες μπορούν επίσης να εκτινάξουν υλικά στο διάστημα με υψηλές ταχύτητες σχηματίζοντας κατά αυτό τον τρόπο πίδακες υλικού. Έχουν παρατηρηθεί πολλοί γαλαξίες με τέτοιους πίδακες. Αυτήν την περίοδο, θεωρείται ότι αυτοί οι γαλαξίες έχουν υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες (δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες) στα κέντρα τους, που παράγουν τόσον πίδακες όσο και ισχυρές ραδιοεκπομπές.

Αναφορά: Η ιστοσελίδα http://cosmology.berkeley.edu/Education/BHfaq.html