Οι μαύρες τρύπες είναι τοποθεσίες στο σύμπαν όπου η συνηθισμένη βαρύτητα έχει γίνει τόσο μεγάλη που συντρίβει όλες τις άλλες δυνάμεις. Και τίποτα μα τίποτα δεν μπορεί να δραπετεύσει από τη βαρύτητα μιας μαύρης τρύπας – ακόμη ούτε και το φως.
Ακόμα ξέρουμε ότι οι μαύρες τρύπες υπάρχουν. Ξέρουμε πώς γεννιούνται, πού εμφανίζονται και γιατί υπάρχουν σε διαφορετικά μεγέθη. Ξέρουμε ακόμη και τι θα συνέβαινε εάν εισερχόμαστε σε κάποια από αυτές. Οι ανακαλύψεις τα τελευταία 20 χρόνια μας έχουν αποκαλύψει ένα από τα πιο παράξενα αντικείμενα στο σύμπαν, αλλά υπάρχουν ακόμα πολλά που δεν ξέρουμε.
Αριστερά: Ένα πολύ μικρό τμήμα του Γαλαξία μας στον αστερισμό του Τοξότη.
Συνολικά, ο Γαλαξίας μας περιέχει κάπου 100 δισεκατομμύρια άστρα και 100 εκατομμύρια αστρικές μαύρες τρύπες. Οι περισσότερες από αυτές είναι αόρατες σε μας, και μόνο μια δωδεκάδα σχεδόν έχει προσδιοριστεί. Η κοντινότερη σε μας είναι περίπου 1.600 έτη φωτός. Στην περιοχή του ορατού σύμπαντος από τη Γη, υπάρχουν ίσως 100 δισεκατομμύρια γαλαξίες. Ο καθένας τους έχει περίπου 100 εκατομμύρια αστρικές μαύρες τρύπες. Και κάπου έξω εκεί, μια νέα αστρική μαύρη τρύπα γεννιέται μέσα σε μια υπερκαινοφανή έκρηξη κάθε δευτερόλεπτο.
Οι τεράστιες μαύρες τρύπες που μπορεί να έχουν από ένα εκατομμύριο έως ένα δισεκατομμύριο φορές περισσότερη μάζα από τον ήλιο μας, βρίσκονται στα κέντρα των γαλαξιών και οι περισσότεροι γαλαξίες, και ίσως κι όλοι τους, να φιλοξενούν μια τέτοια μαύρη τρύπα. Έτσι στην περιοχή του ορατού Κόσμου υπάρχουν περίπου 100 δισεκατομμύρια υπερβαρέες μαύρες τρύπες. Η κοντινότερη κατοικεί στο κέντρο του Γαλαξία μας, κάπου 28 χιλιάδες έτη φωτός. Η πιο απόμακρη που ξέρουμε είναι σε ένα γαλαξία κβάζαρ δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά.
Και επειδή η κοντινότερη μαύρη τρύπα είναι πολλά έτη φωτός μακριά μας, δεν θα πρέπει να ανησυχούμε αν απειλούν τη Γη και φυσικά ποτέ δεν θα τις πλησιάσουμε. Γι αυτό είναι εύκολη η εξερεύνησή τους από εδώ.
Πώς παίρνουν το όνομα τους οι μαύρες τρύπες
Δεν υπάρχει κανένα ειδικό σύστημα για την ονομασία των μαύρων οπών. Οι υπερβαρέες μαύρες τρύπες στους πυρήνες των γαλαξιών ονομάζονται από το όνομα των γαλαξιών. Ένα όνομα όπως M31 δείχνει ότι ο γαλαξίας καταχωρήθηκε από τον αστρονόμο Charles Messier κοντά στο 1700. Ένα όνομα που αρχίζει με "NGC" δείχνει ότι έχει καταχωρηθεί στο Νέο Γενικό Κατάλογο, ο οποίος συντάχθηκε το 1888 και επεκτάθηκε μέχρι τώρα. Μερικές μαύρες τρύπες καταχωρούνται από τον αστερισμό τους και πώς ανακαλύφθηκαν. Το Cygnus Χ-1 ήταν το πρώτο από τα αντικείμενα που έκανε εκπομπή ακτίνων X, και που ανακαλύφθηκε στον αστερισμό του Κύκνου (Cygnus), παραδείγματος χάριν. Και πολλές άλλες μαύρες τρύπες προσδιορίζονται από το όργανο ή την έρευνα που τις ανακάλυψαν και η θέση τους στον ουρανό: για παράδειγμα το αντικείμενο XTE J1118+480 ανακαλύφθηκε από τον Δορυφόρο Rossi X-Ray Timing Explorer (XTE), και είναι στις ουράνιες συντεταγμένες 1118+480. ΤΗ μαύρη τρύπα GRO J1655-40 ανακαλύφθηκε από το παρατηρητήριο Compton Gamma-Ray, και ούτω καθεξής.
Δεν υπήρχαν μαύρες τρύπες κατά τον Αϊνστάιν
Το 1939, ο Αϊνστάιν έγραψε μια μελέτη όπου επιχειρούσε να καταρρίψει την ύπαρξη άστρων που δεν ακτινοβολούσαν, δηλαδή μαύρων οπών. Γιατί όπως ισχυρίστηκε είναι αδύνατο να σχηματιστούν με φυσικές διαδικασίες. Η άποψη του στηριζόταν στην παραδοχή ότι τα άστρα σχηματίζονται από ένα στροβιλιζόμενο νέφος σκόνης, αερίων και θραυσμάτων που, λόγω της βαρύτητας, σταδιακά ενώνονται. Στη συνέχεια, έδειξε ότι αυτή η συγκέντρωση στροβιλιζόμενων σωματιδίων δεν καταρρέει ποτέ στην ακτίνα Schwarzschild και επομένως δεν μπορεί να μετατραπεί σε μαύρη τρύπα. Στην καλύτερη περίπτωση, η ακτίνα αυτής της στροβιλιζόμενης μάζας σωματιδίων θα έφτανε να είναι μιάμιση φορά η ακτίνα Schwarzschild, οπότε πάλι αποκλειόταν ο σχηματισμός μαύρης τρύπας. Για να ξεπεράσει κανείς αυτό το όριο – μιάμιση φορά την ακτίνα Schwarzschild – θα έπρεπε να κινείται ταχύτερα από το φως, πράγμα αδύνατο. Και φυσικά δεν υπήρχαν και οι ιδιομορφίες, σύμφωνα με τον Αϊνστάιν.
Παρόμοιες επιφυλάξεις όσον αφορά τις μαύρες τρύπες είχε και ο Arthur Eddington, που δε δέχτηκε ποτέ την ύπαρξη τους. Κάποτε, μάλιστα, είχε πει ότι θα έπρεπε να υπάρχει "ένας νόμος στη Φύση που να αποτρέπει μια τόσο παράλογη αστρική συμπεριφορά."
Την ίδια χρονιά, ο Ρόμπερτ Οπενχάιμερ (από τους ιδρυτές της πρώτης ατομικής βόμβας) έδειξε πως ο σχηματισμός της μαύρης τρύπας είναι δυνατός μέσω ενός άλλου μηχανισμού. Αντί να υποθέσουν ότι οι μαύρες τρύπες προκύπτουν από μια στροβιλιζόμενη συγκέντρωση σωματιδίων που καταρρέει λόγω της βαρύτητας, είπε ότι ξεκινάει από ένα γηραιό άστρο με μεγάλη μάζα που, έχοντας εξαντλήσει τα πυρηνικά του καύσιμα, υφίσταται ενδόρρηξη εξαιτίας της βαρύτητας. Για παράδειγμα, αν ένα μελλοθάνατο άστρο-γίγαντας με μάζα σαράντα φορές μεγαλύτερη εκείνης του Ήλιου εξαντλούσε τα πυρηνικά του καύσιμα, θα μπορούσε να συμπιεστεί λόγω της βαρύτητας στην ακτίνα Schwarzschild – που στην προκειμένη περίπτωση θα ήταν περίπου 130 χιλιόμετρα- και να καταρρεύσει σχηματίζοντας μια μαύρη τρύπα. Οι μαύρες τρύπες, υποστήριξαν, όχι μόνο είναι δυνατό να υπάρξουν, αλλά ίσως και να αποτελούν την ύστατη κατάληξη για δισεκατομμύρια άστρα-γίγαντες που πεθαίνουν στο γαλαξία μας.
Οι μαύρες τρύπες ακολουθούν τους νόμους της βαρύτητας;
Δεξιά: Ο χωροχρονικός ιστός γύρω από τη γη, όπως παρατηρήθηκε από την αποστολή της NASA, Gravity Probe B
Οι μαύρες τρύπες ακολουθούν όλους τους νόμους της φυσικής, συμπεριλαμβανομένων και των νόμων της βαρύτητας. Οι αξιοπρόσεκτες ιδιότητές τους είναι στην πραγματικότητα μια άμεση συνέπεια της βαρύτητας.
Το 1687, ο Ισαάκ Νεύτωνας έδειξε ότι όλα τα αντικείμενα στο σύμπαν ελκύουν το ένα το άλλο μέσω της δύναμης της βαρύτητας. Η βαρύτητα είναι στην πραγματικότητα η πιο ασθενής δύναμη στη φύση. Στην καθημερινή μας όμως ζωή, άλλες δυνάμεις από την ηλεκτρική, το μαγνητισμό, ή την πίεση ασκούν συχνά μια ισχυρότερη επίδραση. Εντούτοις, η βαρύτητα διαμορφώνει το σύμπαν επειδή καθίσταται αισθητή σε πολύ μεγάλες αποστάσεις. Παραδείγματος χάριν, ο Νεύτωνας έδειξε ότι οι νόμοι της βαρύτητάς του μπορούν να εξηγήσουν τις κινήσεις των φεγγαριών και των πλανητών στο ηλιακό σύστημα.
Ο Αλβέρτος Αϊνστάιν αργότερα άλλαξε ριζικά την άποψη που είχαμε για τη βαρύτητα μέσω της θεωρίας της Γενικής Σχετικότητάς του. Για πρώτη φορά έδειξε, βασισμένος στο γεγονός ότι το φως κινείται με μια σταθερή ταχύτητα, ότι ο χώρος και ο χρόνος πρέπει να συνδέονται. Και το 1915, έδειξε ότι τα αντικείμενα μεγάλης μάζας διαστρεβλώνουν τον χωρόχρονο την τεσσάρων διαστάσεων συνέχεια, και ότι αυτή η διαστρέβλωση είναι ότι θεωρούμε ως βαρύτητα. Οι προβλέψεις του Αϊνστάιν έχουν ελεγχθεί για δεκαετίες μέσω πολλών διαφορετικών πειραμάτων. Για τα σχετικά ασθενή βαρυτικά πεδία, όπως της Γης, οι προβλέψεις των δύο θεωριών – Αϊνστάιν και Νεύτωνα – είναι σχεδόν ίδιες. Αλλά για τα πολύ ισχυρά βαρυτικά πεδία, όπως αυτά που παρατηρούμε κοντά στις μαύρες τρύπες, η θεωρία του Αϊνστάιν προβλέπει πολλά συναρπαστικά νέα φαινόμενα.
Με ποιό τρόπο γίνεται ένα άστρο μαύρη τρύπα;
Από τη στιγμή που γεννιέται ένα άστρο μέχρι και το θάνατό του αντιπαλεύει συνεχώς ενάντια στη δύναμη της βαρύτητας. Πρόκειται για μια πάλη που αργά ή γρήγορα είναι καταδικασμένο να χάσει. Και ανάλογα με την ύλη που περιέχει στο τέλος της ζωής του ένα άστρο θα έχει έναν από τρεις διαφορετικούς τρόπους θανάτου. Συγκεκριμένα άστρα με πυρήνα μέχρι 1.4 ηλιακές μάζες θα γίνει λευκός νάνος. Άστρα που κατορθώνουν να συγκρατήσουν στον πυρήνα τους υλικά από 1.4 έως 2.5 ηλιακές μάζες μετατρέπονται σε πάλσαρ ή άστρα νετρονίων. Αν όμως ο πυρήνας των άστρων στο τέλος της ζωής τους ξεπερνά τις 2.5 ηλιακές μάζες μετατρέπεται σε μαύρη τρύπα, γιατί τίποτα δεν μπορεί να αντισταθεί στη δύναμη της βαρύτητας.
Για να πεθάνει όμως ένα άστρο καίει τα καύσιμά του. Και οι περισσότεροι ξέρουμε ότι ένα αστέρι είναι ένας τεράστιος, καταπληκτικής ισχύος, αντιδραστήρας σύντηξης των ελαφρών στοιχείων. Επειδή τα αστέρια έχουν πολύ μάζα και είναι φτιαγμένα από αέριο υδρογόνο και λίγο ήλιο, 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.
Μετά τη γέννηση ενός άστρου – από τη συμπύκνωση μεγάλων μαζών γαλαξιακού αερίου υδρογόνου κυρίως – αρχίζει και η σύντηξη των ελαφρών στοιχείων στον πυρήνα του. Κι αυτή η σύντηξη δημιουργεί μια τρομακτική πίεση από το κέντρο του άστρου προς τα έξω και η οποία αντισταθμίζεται για εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια χρόνια από τη βαρύτητα.
Δεξιά: Όταν πεθαίνουν άστρα με μικρή μάζα (λιγότερη από οκτώ φορές τη μάζα του ήλιου) αργά-αργά αποβάλλουν τα εξωτερικά τους στρώματα. Αυτά τα στρώματα μπορεί να εκπέμπουν ακτινοβολία για χιλιάδες χρόνια. Το άστρο λέγεται λανθασμένα τότε πλανητικό νεφέλωμα.
Αστέρια με λιγότερη από οκτώ φορές τη μάζα του ήλιου, πεθαίνουν σχετικά ήρεμα. Τα εξωτερικά στρώματα τους, μετά από μια γιγάντια έκρηξη, ξεχύνονται στο διάστημα σαν αστρικός άνεμος, κι έτσι το αστέρι αυτό γίνεται προσωρινά ορατό σαν ένα πλανητικά νεφέλωμα. Το υπόλοιπο τμήμα του άστρου, είναι στο μέγεθος της Γης και ονομάζεται λευκός νάνος.
Αλλά, τα βαρύτερα αστέρια πεθαίνουν με μια θεαματική υπερκαινοφανή έκρηξη, κι αν το άστρο ήταν μέτρια βαρύ, τότε το κατάλοιπο του φτιάχνει ένα αστέρι νετρονίων: μια πυκνή σφαίρα από νετρόνια, που συμπιέζεται τόσο πολύ που η διάμετρος του είναι κάπου 15 χιλιόμετρα. Τέλος, τα εξαιρετικά βαριά αστέρια (με μάζα περισσότερη από 25 φορές του Ήλιου) δεν έχουν κανένα τρόπο να αντισταθούν στη βαρυτική έλξη καθώς πεθαίνουν. Έτσι, καταρρέουν εντελώς σε μια μαύρη τρύπα.
Αριστερά: Τα πολύ μεγάλα άστρα πεθαίνουν με μια καταπληκτική υπερκαινοφανή έκρηξη, που διαρκεί λίγα μόνο δευτερόλεπτα. Η έκρηξη σκορπίζει στο διάστημα το μεγαλύτερο μέρος του άστρου. Ό,τι απομείνει είναι τότε ένα άστρο νετρονίων
Η δημιουργία μιας αστρικής μαύρης τρύπας ακολουθεί το στάδιο της καταστροφικής υπερκαινοφανούς (σουπερνόβα) έκρηξης ενός άστρου. Αν ο πυρήνας του άστρου είναι μικρότερος των 10 ηλιακών μαζών, περίπου, τότε μετά την γιγάντια έκρηξη θεωρείται ότι τα νετρόνια μπορούν να σταματήσουν τη βαρυτική κατάρρευση του άστρου και δημιουργείται έτσι ένα αστέρι νετρονίων.
Όταν όμως ο πυρήνας είναι βαρύτερος (Mπυρήνα > ~ 20 ηλιακές μάζες), τίποτα στο γνωστό κόσμο δεν είναι σε θέση να σταματήσει την κατάρρευση των πυρήνων, κι έτσι ο πυρήνας συμπιέζεται τόσο πολύ που δημιουργεί μια μαύρη τρύπα. Αυτό το αντικείμενο εξαφανίζεται τότε, 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.
Οι αστρικές μαύρες τρύπες δημιουργούνται όταν στα μεγάλα άστρα με πυρήνα πάνω από 20 ηλιακές μάζες γίνεται μια υπερκαινοφανής έκρηξη. Η εικόνα δεξιά δείχνει το κατάλοιπο μιας τέτοιας έκρηξης στον αστερισμό της Κασιόπειας
Ο πυρήνας της μαύρης τρύπας 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.
Δημιουργία μαύρων οπών με πάρα πολύ μεγάλη μάζα
Αριστερά: Μια γνωστή σύγκρουση δύο γαλαξιών – η Antennae
Γνωρίζουμε λίγα σχετικά με τη γέννηση των υπερβαρέων μαύρων οπών, που είναι χιλιάδες φορές βαρύτερες από μια αστρική και ζουν στα κέντρα των γαλαξιών. Η μία δυνατότητα δημιουργίας τους είναι από τη συγχώνευση πολλών αστρικών μαύρων οπών σε μια περίοδο δισεκατομμυρίων ετών.
Μια απλή αστρική μαύρη τρύπα μπορεί να αυξηθεί ταχύτατα καταναλώνοντας γειτονικά άστρα και αέριο κοντά στο κέντρο των γαλαξιών. Επίσης, μια μεγάλη μαύρη τρύπα μεγαλώνει μέσω συγχώνευσης της με άλλες μαύρες τρύπες που κατοικούν στο κέντρο των γαλαξιών. Για να συμβεί αυτό πρέπει να συγχωνεύονται οι γαλαξίες στους οποίους ανήκουν. Αυτό το σενάριο έχει επιβεβαιωθεί πρόσφατα σε παρατηρήσεις και υπολογιστικά μοντέλα.
Είναι γνωστό ότι η μάζα μιας υπερβαρέας μαύρης τρύπας στο κέντρο ενός γαλαξία είναι ανάλογη με τη μάζα του γαλαξία αυτού. Έτσι, υπάρχουν τέτοιες μαύρες τρύπες με μάζα ακόμα κι ένα δισεκατομμύριο φορές τη μάζα του ήλιου μας.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου