Εξετάζοντας την δομή των μαύρων οπών

Άρθρο, Νοέμβριος 2007

Σε μια κλασσική μαύρη τρύπα διακρίνουμε

1. Την ιδιομορφία ή ανωμαλία της μαύρης τρύπας: το κέντρο μιας μαύρης τρύπας στην οποία πέφτει η ύλη. Έχει άπειρη πυκνότητα όπως είναι και η ισχύς του βαρυτικού πεδίου, ενώ ο χωροχρόνος γύρω της είναι έντονα στρεβλωμένος γιατί η ακτίνα της πλησιάζει το μηδέν. Σε μια ανωμαλία καταρρέουν όλοι οι νόμοι της φυσικής ενώ ο χρόνος σταματάει για έναν άτυχο που θα εισερχόταν μέσα της. Το γεγονός ότι δεν μπορεί να διαφύγει τίποτα από εκεί μέσα έκανε τον Penrose να προτείνει την υπόθεση της κοσμικής λογοκρισίας ή ότι "ο Θεός απεχθάνεται μια γυμνή ιδιομορφία", δηλαδή μια ιδιομορφία χωρίς να περιβάλλεται από μια μαύρη τρύπα γύρω της.

2. Τον ορίζοντα γεγονότων: το όριο μιας μαύρης τρύπας από όπου τίποτα ούτε και το φως δεν μπορεί να ξεφύγει γιατί η ταχύτητα διαφυγής της ύλης σε αυτό το χώρο είναι μεγαλύτερος από την ταχύτητα του φωτός. Κάθε τι που διέρχεται από αυτό το 'πέπλο' φτάνει σύντομα στην περιοχή της άπειρης πυκνότητας και στο τέλος του χρόνου. Κανένας παρατηρητής έξω από τον ορίζοντα γεγονότων δεν μπορεί να αντιληφθεί την κατάρρευση των φυσικών νόμων μέσα στη μαύρη τρύπα. Οι φυσικοί θεωρούν τον ορίζοντα γεγονότων σαν τις διαδρομές στον χωρόχρονο των ακτίνων του φωτός, που μόλις και δεν καταφέρνουν να διαφύγουν από τη μαύρη τρύπα. Η ύλη που στην αρχή περιστρέφεται γύρω από τη μαύρη τρύπα μετά πέφτει μέσα στον ορίζοντα γεγονότων. Η ακτίνα του ορίζοντα γεγονότων υπολογίζεται από τον τύπο της ακτίνας Schwarzschild r=2GM/C², όπου M είναι η μάζα της μαύρης τρύπας.

Δεξιά: εργόσφαιρα και ορίζοντας γεγονότων

3. Τη σφαίρα φωτονίων: το φως μπορεί να ξεφύγει από εκεί αν έχει την κατάλληλη κατεύθυνση προς τα έξω. Είναι μια σφαιρική περιοχή του χώρου λίγο πιο έξω από τον ορίζοντα γεγονότων και την εργόσφαιρα (μια ελλειψοειδής περιοχή γύρω από τη μαύρη τρύπα), όπου η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή που τα φωτόνια αναγκάζονται να κινούνται σε τροχιές. Η ακτίνα που περιστρέφεται ένα τέτοιο φωτόνιο δίνεται από τον τύπο  r=3GM/C². Λόγω της σχέσης αυτής η σφαίρα φωτονίων μπορεί να υπάρχει μόνο γύρω από μικρά, πολύ βαριά αντικείμενα, σαν τις μαύρες τρύπες.  Καθώς τα φωτόνια ταξιδεύουν κοντά στον ορίζοντα γεγονότων μπορούν να διαφύγουν αν κινούνται με σχεδόν κάθετη κατεύθυνση προς τη μαύρη τρύπα, γνωστή σαν κώνος εξόδου. Τα φωτόνια στα όρια αυτού του κώνου δεν θα διαφύγουν τελείως από τη βαρύτητα της μαύρης τρύπας. Αντιθέτως κινούνται γύρω από τη μαύρη τρύπα σε ασταθείς τροχιές. 

Για τις μη-περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες, η σφαίρα φωτονίων είναι μια σφαίρα ακτίνας 3/2 r_s, όπου r_s είναι η ακτίνα Schwarzschild (η ακτίνα του ορίζοντα γεγονότων). Μέσα στη σφαίρα φωτονίων ένα διαστημικό σκάφος με σταθερή επιτάχυνση μπορεί να αιωρηθεί πάνω από τον ορίζοντα γεγονότων.

Μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα έχει δύο σφαίρες φωτονίων. Καθώς μια τέτοια μαύρη τρύπα περιστρέφεται σύρει το διάστημα γύρω της. Η σφαίρα φωτονίων που είναι πιο κοντά στη μαύρη τρύπα κινείται στην ίδια κατεύθυνση με την μαύρη τρύπα, ενώ η σφαίρα φωτονίων που είναι πιο μακριά κινείται αντίθετα σε αυτή. Όσο μεγαλύτερη είναι η γωνιακή ταχύτητα της περιστροφής μιας μαύρης τρύπας τόσο μεγαλύτερη είναι απόσταση μεταξύ των δύο σφαιρών φωτονίων. Επειδή η μαύρη τρύπα έχει έναν άξονα περιστροφής αυτό ισχύει μόνο εάν πλησιάζουμε τη μαύρη τρύπα στην κατεύθυνση του ισημερινού. Εάν πλησιάζουμε με μια διαφορετική γωνία, πχ προς έναν από τους πόλους της μαύρης τρύπας, στον ισημερινό υπάρχει μόνο μια σφαίρα φωτονίων.

4. Τον δίσκο συσσώρευσης: ένας δίσκος γύρω από μια μαύρη τρύπα όπου υπέρθερμο αέριο στροβιλίζεται με ταχύτητες πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός, μέχρι να πέσει μέσα της. Η τριβή μεταξύ των αερίων που αναπτύσσεται κατά την περιστροφή τους υπερθερμαίνει τα αέρια που εκπέμπουν ακτίνες-Χ και άλλες ακτινοβολίες λόγω της επιτάχυνσης τους. Συνήθως βλέπουμε από εκεί να φεύγουν δύο πίδακες υπέρθερμων αερίων προς αντίθετες κατευθύνσεις που μας ειδοποιούν για την παρουσία της μαύρης τρύπας.

Αριστερά: Τρισδιάστατος δίσκος συσσώρευσης σχεδιασμένος με τη βοήθεια υπολογιστή.

Το γράφημα αυτό δείχνει κύματα κλονισμού που κινούνται σπειροειδώς - υλικό που στροβιλίζεται πάνω σε μια μαύρη τρύπα. Τέτοιοι δίσκοι συσσώρευσης είναι πηγές έντονων ακτίνων-X ακόμα και μέσα στο Γαλαξία μας. Συνήθως σχηματίζονται σε δυαδικά συστήματα, όπου ένα άστρο συνοδός γύρω από τη μαύρη τρύπα προσφέρει το υλικό που μεγαλώνει το συμπαγές αντικείμενο η ισχυρή βαρύτητα του οποίου σύρει τελικά το υλικό προς την επιφάνειά της. Για τα γνωστά δυαδικά συστήματα ακτίνων-X το μέγεθος του δίσκου προσαύξησης κυμαίνεται μεταξύ της διαμέτρου του ήλιου (περίπου 1.400.000 χιλιόμετρα) και της διαμέτρου της τροχιάς της Σελήνης (800.000 χιλιόμετρα).