Κυριακή, 16 Μαρτίου 2008

Οι μαύρες τρύπες

Η νευτώνεια θεωρία της βαρύτητας μπορεί να συμβάλλει στο να κατανοήσουμε τι συμβαίνει όταν ένα αστέρι καταρρέει από την έλξη του ίδιου του του βαρυτικού πεδίου : σε μια συνήθη κατάσταση, σ’ ένα αστέρι εξισορροπούνται οι πυρηνικές και οι βαρυτικές δυνάμεις. Το φως διαφεύγει από την επιφάνεια του αστεριού. Όταν εξασθενούν οι πυρηνικές δυνάμεις και το αστέρι καταρρέει, το βαρυτικό του πεδίο είναι πολύ ισχυρό για να επιστρέψει στο φως να διαφύγει. Το φως έλκεται πίσω στην επιφάνεια καθιστώντας το αστέρι αόρατο ή μαύρη τρύπα.
Stephen Hawking, Στους ώμους γιγάντων, Τραυλός 2006
Ο όρος “ μαύρη τρύπα ” είναι πολύ πρόσφατος : επινοήθηκε το 1969 από τον αμερικανό φυσικό John Wheeler. Ο Wheeler θέλησε να περιγράψει μ’ αυτό τον εύγλωττο και γλαφυρό τρόπο μια παλαιότερη ιδέα, που ανάγεται σε μια εποχή πριν από διακόσια τουλάχιστον χρόνια. Την εποχή εκείνη, υπήρχαν δύο θεωρίες για την φύση του φωτός : κατά την πρώτη το φως αποτελείται από κύματα, ενώ κατά τη δεύτερη, που την υποστήριξε κι ο Νεύτωνας, το φως αποτελείται από σωματίδια. Σήμερα γνωρίζουμε ότι, με κάποια έννοια, και οι δύο θεωρίες είναι στην πραγματικότητα σωστές, επειδή, σύμφωνα με τον δυϊσμό κύματος – σωματιδίου της κβαντικής μηχανικής, το φως μπορεί να θεωρηθεί και ως κύμα και ως σωματίδιο.
Σύμφωνα με τη θεωρία ότι το φως αποτελείται από κύματα, δεν ήταν σαφές το πώς θα μπορούσε να ανταποκρίνεται στην επίδραση της βαρύτητας. Σύμφωνα με τη θεωρία όμως, ότι το φως αποτελείται από σωματίδια, είναι λογικό να περιμένουμε ότι η βαρύτητα θα επιδρούσε σ’ αυτά όπως επιδρά και στις οβίδες, τους πυραύλους και τους πλανήτες.
................................................................
Η ιδέα του John Michell
Stephen Hawking, Το σύμπαν σ’ ένα καρυδότσουφλο, Κάτοπτρο 2001
Την υπόθεση αυτή ανέπτυξε στα τέλη του 18ου αιώνα ο καθηγητής του Κέιμπριτζ, ο John Michell, σε μια εργασία του που δημοσιεύτηκε το 1783 στα Φιλοσοφικά Πεπραγμένα της Βασιλικής Εταιρείας του Λονδίνου.
Η ιδέα του ήταν η εξής : Έστω ότι εκτοξεύετε από την επιφάνεια της γης μια μπάλα κανονιού κατακόρυφα προς τα πάνω, Η μπάλα θα επιβραδύνεται καθώς θα ανέρχεται, λόγω της επίδρασης της βαρύτητας, και βαθμιαία θα σταματήσει, οπότε θα ξαναπέσει στη γη. Ωστόσο, αν διέθετε ταχύτητα μεγαλύτερη από κάποια κρίσιμη τιμή, δεν θα σταματούσε, αλλά θα συνέχιζε την πορεία της προς τα πάνω, διαφεύγοντας από την έλξη του πλανήτη. Αυτή η κρίσιμη ταχύτητα που ονομάζεται ταχύτητα διαφυγής, είναι περίπου ίση με 12 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο για τη Γη, και περίπου 100 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτα για τον Ήλιο.
Και οι δύο αυτές τιμές
ξεπερνούν κατά πολύ τις ταχύτητες των πραγματικών βλημάτων κανονιού, ωστόσο είναι πολύ μικρότερες από την ταχύτητα του φωτός ( 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο ). Συνεπώς, το φως καταφέρνει και διαφεύγει από την έλξη της Γης και του Ήλιου χωρίς μεγάλη δυσκολία. Ο Michell, ωστόσο, υποστήριξε ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν αστέρια με μάζα πολύ μεγαλύτερη αυτής του ήλιου και με ταχύτητα διαφυγής πολύ μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός.
Τέτοιου είδους αστέρια δεν θα ήταν ορατά σε μας, αφού η ακτινοβολία τους δεν μπορεί να εγκαταλείψει την επιφάνειά τους λόγω της δράσης του βαρυτικού τους πεδίου. Ο Michell ονόμασε αυτά τ' αστέρια “ σκοτεινά αστέρια ” και υπέθεσε ότι ίσως υπάρχει στο Σύμπαν μεγάλο πλήθος παρόμοιων αντικειμένων. Αν και δεν θα μπορούσαμε να τα δούμε, αφού το φως τους δεν θα έφτανε έως εμάς, θα μπορούσαμε όμως να αισθανθούμε τη βαρυτική έλξη τους. Τα αντικείμενα αυτά τα ονομάζουμε σήμερα “ μαύρες τρύπες ”, επειδή μοιάζουν με μαύρα κενά μέσα στον διαστημικό χώρο.
Η ιδέα του Michell για την ύπαρξη σκοτεινών αστεριών εδραζόταν στην νευτώνεια φυσική, στην οποία ο χρόνος ήταν απόλυτος κι έρρεε ανεξάρτητα απ’ οτιδήποτε συνέβαινε. Το να θεωρούμε όμως ότι το φως συμπεριφέρεται όπως οι οβίδες της νευτώνειας θεωρίας της βαρύτητας, δεν είναι καθόλου συνεπές. Σύμφωνα μ’ ένα πείραμα που πραγματοποιήθηκε το 1897, βρέθηκε ότι το φως ταξιδεύει πάντοτε με την ίδια σταθερή ταχύτητα. Αν λοιπόν μια οβίδα που βάλλεται από την επιφάνεια της Γης προς τα πάνω επιβραδύνεται από τη βαρύτητα, ακινητοποιείται και τελικά ξαναπέφτει στη Γη, ένα φωτόνιο πρέπει να συνεχίσει να κινείται με σταθερή ταχύτητα. Τότε όμως πως επιβραδύνεται από την βαρύτητα ;
Έως το 1915 δεν υπήρχε μια συνεπής θεωρία που να περιγράφει τον τρόπο που επιδρά η βαρύτητα στο φως. Τότε ο Αϊνστάιν διατύπωσε τη γενική θεωρία της σχετικότητας, δίνοντας την απάντηση : το φως καμπυλώνεται. Χρειάστηκαν όμως πολλά χρόνια για να κατανοηθούν τα αποτελέσματα της εφαρμογής αυτής της θεωρίας στην περίπτωση των αστεριών με μεγάλη μάζα.
.
Καθώς το φως ενός μακρινού αστεριού διέρχεται κοντά στον Ήλιο, εκτρέπεται λόγω της καμπύλωσης που προκαλεί στον χωροχρόνο η μάζα του Ήλιου ( α ) . Ως εκ τούτου, αν παρατηρήσουμε το συγκεκριμένο αστέρι από τη Γη, θα δούμε μια ελαφρά μετατόπιση της θέσης του ( β ). Το φαινόμενο αυτό μπορεί να παρατηρηθεί κατά τη διάρκεια μιας ηλιακής έκλειψης, δηλαδή όταν δεν σκεδάζεται από το φως του ήλιου.
Stephen Hawking, Το σύμπαν σ’ ένα καρυδότσουφλο, Κάτοπτρο 2001
Σύμφωνα με την γενική σχετικότητα, ο χώρος και ο χρόνος σχηματίζουν από κοινού έναν τετραδιάστατο χώρο, τον χωροχρόνο. Ο χώρος αυτός δεν είναι επίπεδος, αλλά παραμορφώνεται, ή καμπυλώνεται, από την ύλη και την ενέργεια που περιέχει. Παρατηρούμε αυτή την καμπύλωση στην κύρτωση του φωτός ή των ραδιοκυμάτων καθώς περνούν κοντά στον ‘Ήλιο κατά την διαδρομή τους προς εμάς. Βέβαια, στην περίπτωση του φωτός που περνά κοντά στον ήλιο, η κύρτωση των ακτίνων είναι πολύ μικρή, επειδή το βαρυτικό πεδίο του Ήλιου είναι ασθενές. Όμως, έν' αστέρι μεγάλης μάζας μπορεί να συρρικνωθεί σε τελική διάμετρο μερικών χιλιάδων χιλιομέτρων ή μερικών χιλιομέτρων και να συμπιεσθεί σε μια πυκνότητα εκατοντάδων ή και εκατομμυρίων τόνων ανά κυβικό εκατοστό, αντίστοιχα.
Έν' αστέρι με μάζα δεκαπλάσια της μάζας του Ήλιου, δεν μπορεί να καταλήξει σε λευκό νάνο ή αστέρι νετρονίων αλλά θα συνεχίσει να καταρρέει. Καθώς θα συρρικνώνεται, η ένταση του βαρυτικού του πεδίου στην επιφάνειά του θα αυξάνει, με αποτέλεσμα την ταυτόχρονη αύξηση της ταχύτητας διαφυγής. Μόλις η ακτίνα του φτάσει τα 30 χιλιόμετρα περίπου, η ταχύτητα διαφυγής θα ισούται με 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο, δηλαδή με την ταχύτητα του φωτός.
Συνεπώς, ύστερα από αυτή τη χρονική στιγμή, οποιαδήποτε ακτίνα φωτός εκπέμπεται από το αστέρι δεν μπορεί να διαφύγει. Το βαρυτικό πεδίο του αστεριού την υποχρεώνει να επιστρέψει στην επιφάνειά του. Σύμφωνα με την ειδική θεωρία της σχετικότητας, δεν υπάρχει ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός, οπότε, αφού δεν μπορεί να διαφύγει το ίδιο το φως, δεν θα μπορεί να διαφύγει και οποιοδήποτε άλλο αντικείμενο, αφού όλα τα αντικείμενα κινούνται με ταχύτητα μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός.
Το αποτέλεσμα όλων αυτών είναι ο σχηματισμός μιας μαύρης τρύπας : μιας περιοχής του χωροχρόνου, από την οποία είναι αδύνατη η διαφυγή προς το άπειρο. Η περιοχή αυτή περικλείεται από έναν ορίζοντα γεγονότων που σχηματίζεται από το φως που μόλις και δεν καταφέρνει να διαφύγει από τη μαύρη τρύπα και περιστρέφεται για πάντα γύρω από την νέα περίμετρο του άστρου σε απόσταση ίση με την ακτίνα Schwarzschild : 2GM/c, όπου G η σταθερά του νόμου της παγκόσμιας έλξης του Νεύτωνα, Μ η μάζα του αστεριού και c η ταχύτητα του φωτός. Για ένα άστρο με μάζα δεκαπλάσια του ήλιου, η ακτίνα Schwarzschild ισούται με τριάντα χιλιόμετρα περίπου.
Αυτή η διαδρομή των ακτίνων φωτός που αιωρείται σε σταθερή κατάσταση πάνω από το κέντρο του αστεριού και ουδέποτε διαφεύγει, διαχωρίζει τον χωροχρόνο σε δύο περιοχές : αυτή από την οποία το φως μπορεί να διαφύγει της έλξης του άστρου και εκείνη από την οποία αδυνατεί να διαφύγει. Ο ορίζοντας γεγονότων λειτουργεί κάπως σαν μεμβράνη μονής κατεύθυνσης γύρω από τη μαύρη τρύπα : οποιοδήποτε αντικείμενο μπορεί να τον περάσει και να μπει μέσα, δεν θα μπορεί ποτέ όμως να βγει από αυτή περνώντας τον κατά την αντίθετη διεύθυνση.
Θα μπορούσε κανείς να πει για τον ορίζοντα γεγονότων αυτό που είπε ο Δάντης πως ήταν γραμμένο πάνω από την είσοδο της κόλασης : “ Εγκαταλείψτε κάθε ελπίδα, ω εσείς που εισέρχεστε εδώ ” . Κάθε τι που περνάει τον ορίζοντα γεγονότων θα φτάσει σύντομα στην περιοχή της άπειρης πυκνότητας και το τέλος του χρόνου.
.
Όταν έν' αστέρι μεγάλης μάζας εξαντλήσει τα καύσιμά του, θ’ αρχίσει να χάνει θερμότητα και να συστέλλεται. Η επαγόμενη στρέβλωση του χωροχρόνου θα γίνει τόσο έντονη που θα δημιουργηθεί μια μαύρη τρύπα, από την οποία δεν μπορεί να διαφύγει το φως. Στο εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας, ο χρόνος φτάνει σ’ ένα τέλος.
1. Κάτω αριστερά : Στρέβλωση του χωροχρόνου γύρω από έν' αστέρι μεγάλης μάζας το οποίο καιει πυρηνικό καύσιμο. 2. Στη μέση : Η στρέβλωση του χωροχρόνου γίνεται περισσότερο έντονη καθώς τ' αστέρι συστέλλεται. 3. Πάνω δεξιά : Ο χρόνος φτάνει σ’ ένα τέλος στο εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας.
Stephen Hawking, Το σύμπαν σ’ ένα καρυδότσουφλο, Κάτοπτρο 2001

Ισχυρά βαρυτικά κύματα είναι δυνατόν να παραχθούν από δύο αστέρια ή και δυο μεγάλες τρύπες που κινούνται το ένα γύρω από το άλλο, όπως παραπάνω. Οι παρατηρήσεις της περιοχής του αστρικού συστήματος PSR 1913 + 16 δείχνουν σαφώς δυο αστέρια που κινούνται σπειροειδώς το ένα προς τον άλλον επειδή χάνουν ενέργεια εκπέμποντας βαρυτικά κύματα.
Stephen Hawking, Το χρονικό του χρόνου, Κάτοπτρο 2000
Η γενική θεωρία της σχετικότητας προβλέπει ότι τα κινούμενα βαριά αντικείμενα προκαλούν την εκπομπή βαρυτικών κυμάτων, δηλαδή “ ρυτιδώσεων ” στην καμπυλότητα του χωροχρόνου που διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός. Όπως συμβαίνει και με τα φωτεινά κύματα, τα βαρυτικά κύματα απάγουν ( αποσπούν ) ενέργεια από τα σώματα που τα εκπέμπουν. Ο ρυθμός απώλειας ωστόσο, είναι εξαιρετικά χαμηλός οπότε η παρατήρησή τους είναι αρκετά δύσκολη.
Για παράδειγμα, η εκπομπή βαρυτικών κυμάτων από τη Γη κατά στην κίνησή της γύρω από τον Ήλιο, μεταβάλει την τροχιά της. Σταδιακά λοιπόν, η Γη θα πλησιάζει όλο και περισσότερο τον Ήλιο και κάποτε θα συγκρουστεί μαζί του, καταλήγοντας έτσι σε μια στάσιμη κατάσταση. Ο ρυθμός της απώλειας ενέργειας στην περίπτωση του συστήματος Γης – Ήλιου είναι πολύ μικρός, what περίπου όσος χρειάζεται για να λειτουργήσει ένα μικρό θερμαντικό σώμα. Αυτό σημαίνει ότι θα χρειαστεί περίπου ένα οκτάκις εκατομμύριο ( η μονάδα ακολουθούμενη από 27 μηδενικά ) χρόνια για να συγκρουστεί η Γη με τον Ήλιο. Δεν υπάρχει λοιπόν άμεσος λόγος ανησυχίας !
Η μεταβολή της τροχιάς της γης είναι πάρα πολύ μικρή και δεν μπορεί να παρατηρηθεί, αλλά ένα ανάλογο φαινόμενο παρατηρήθηκε πριν λίγα χρόνια σ’ ένα αστρικό σύστημα, το PSR 1913 + 16, που περιλαμβάνει δύο αστέρες νετρονίων που περιφέρεται ο ένας γύρω από τον άλλον έχοντας μια απόσταση μεταξύ τους μόλις μια ηλιακή ακτίνα ( Βλ. παραπάνω φωτογραφία ).
Η απώλεια ενέργειας από την εκπομπή των βαρυτικών κυμάτων τους αναγκάζει να κινούνται σπειροειδώς και να πλησιάζουν όλο και περισσότερο μεταξύ τους. Αυτή η επαλήθευση της γενικής σχετικότητας από τους J. H. Taylor και R. Hulse τους χάρισε το βραβείο Νόμπελ το 1993. Θα χρειαστεί να περάσουν δέκα χιλιάδες χρόνια για να συγκρουστούν μεταξύ τους αυτοί οι αστέρες. Στο αμέσως προηγούμενο διάστημα θα περιφέρονται τόσο γρήγορα, ώστε τα ισχυρά βαρυτικά κύματα που θα εκπέμπουν θα είναι ανιχνεύσιμα από συσκευές σαν το LIGO.

Μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα του Kerr, διογκώνεται στον ισημερινό της καθώς αυξάνεται ο ρυθμός περιστροφής της. Αν ο ρυθμός είναι μηδέν, η τρύπα είναι απόλυτα σφαιρική.
Stephen Hawking, Το χρονικό του χρόνου, Κάτοπτρο 2000
Κατά την διάρκεια της βαρυτικής κατάρρευσης ενός αστεριού και το σχηματισμό μιας μαύρης τρύπας οι κινήσεις της ύλης θα είναι πολύ πιο γρήγορες, άρα και ο ρυθμός απαγωγής της ενέργειας πολύ πιο μεγάλος. Δεν θ’ αργήσει λοιπόν αυτό τ' αστέρι να καταλήξει σε μια στάσιμη κατάσταση. Πως θα μοιάζει όμως αυτή η τελική κατάσταση ;
Το 1916, λίγο μετά την μαθηματική διατύπωση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, ο Karl Schwarzschild βρήκε μια λύση των εξισώσεων πεδίου της γενικής σχετικότητας, η οποία αναπαριστούσε μια μαύρη τρύπα. Για πολλά χρόνια, η ανακάλυψη του Schwarzschild δεν έγινε κατανοητή και η σημασία της δεν αναγνωρίστηκε. Ο ίδιος ο Αϊνστάιν δεν πίστεψε ποτέ στις μαύρες τρύπες, και παρόμοια άποψη είχαν και τα περισσότερα μέλη της παλιάς φρουράς της γενικής σχετικότητας.
Η ανακάλυψη των κβάζαρ, ( ημιαστέρες που εκλύουν κολοσσιαίες ποσότητες ενέργειας ) το 1963, επέφερε εκρηκτική αύξηση στις θεωρητικές μελέτες για τις μαύρες τρύπες, καθώς και τις προσπάθειες παρατήρησής τους . Την ίδια χρονιά, ο Roy Kerr από την Νέα Ζηλανδία ανακάλυψε ένα σύνολο λύσεων των εξισώσεων της γενικής σχετικότητας που περιέγραφε περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες.
Oι “ μαύρες τρύπες του Kerr “ περιστρέφονται με σταθερό ρυθμό, και το μέγεθός τους εξαρτάται μόνο από τη μάζα τους και τον εν λόγω ρυθμό. Αν ο ρυθμός περιστροφής είναι μηδέν, η μαύρη τρύπα είναι απόλυτα σφαιρική και η λύση των εξισώσεων που την περιγράφουν είναι η λύση του Schwarzschild. Αν ο ρυθμός περιστροφής δεν είναι μηδέν, η μαύρη τρύπα εξογκώνεται γύρω από τον ισημερινό της ( ακριβώς όπως η Γη ), και μάλιστα όσο ταχύτερα περιστρέφεται τόσο περισσότερο εξογκώνεται ( βλ. παραπάνω φωτογραφία ).
Το 1967, ο καναδός φυσικός Werner Israel απέδειξε ότι σύμφωνα με την γενική θεωρία της σχετικότητας, οι μη περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες πρέπει να είναι πολύ απλά αντικείμενα : πρέπει να είναι απόλυτα σφαιρικές και το μέγεθός τους να εξαρτάται μόνο από τη μάζα τους. Επομένως, όλες οι μαύρες τρύπες που έχουν την ίδια μάζα πρέπει να είναι ίδιες.
Για να διευρυνθεί το αποτέλεσμα του Israel ώστε να περιλαμβάνει και τα περιστρεφόμενα αντικείμενα, προτάθηκε η υπόθεση ότι κάθε περιστρεφόμενο αντικείμενο που καταρρέει σχηματίζοντας μια μαύρη τρύπα θα καταλήγει κάποτε σε μια στάσιμη κατάσταση που περιγράφεται από τη λύση του Kerr.
Το 1970, ο φοιτητής του Καίμπριτζ Brandon Carter, έκανε τα πρώτα βήματα για ν’ αποδείξει αυτή την υπόθεση. Έδειξε ότι το μέγεθος και το σχήμα μιας περιστρεφόμενης μαύρης τρύπας θα εξαρτώνται μόνον από τη μάζα της και τον ρυθμό περιστροφής της, με την προϋπόθεση ότι θα έχει έναν άξονα συμμετρίας, όπως μια περιστρεφόμενη σβούρα.
Το 1971, ο Stephen Hawking απέδειξε ότι κάθε περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα έχει πραγματικά έναν τέτοιο άξονα συμμετρίας.
Τελικά, το 1973, ο David Robinson του King’s College του Λονδίνου χρησιμοποίησε τα’ αποτελέσματα του Carter και του Hawking για να δείξει ότι η υπόθεση που είχε προταθεί ήταν σωστή : κάθε περιστρεφόμενο αντικείμενο που καταρρέει, σχηματίζει μια μαύρη τρύπα που περιγράφεται από τη λύση του Kerr.
Αυτό σημαίνει ότι έπειτα από μια βαρυτική κατάρρευση, η μαύρη τρύπα που θα σχηματιστεί θα πρέπει να καταλήξει σε μια κατάσταση όπου θα μπορεί να περιστρέφεται αλλά όχι και να πάλλεται. Σημαίνει επίσης, ότι το μέγεθος και το σχήμα της θα εξαρτώνται μόνο από τη μάζα της και το ρυθμό περιστροφής της, αλλά όχι από τη φύση του αντικειμένου που κατέρρευσε σχηματίζοντάς την. Το αποτέλεσμα αυτό έγινε γνωστό με το απόφθεγμα : “ Η μαύρη τρύπα δεν αφήνει πίσω της ούτε τρίχα ”, με την έννοια ότι δεν αφήνει προεκτάσεις, ίχνη.
Το θεώρημα αυτής της “ εξάλειψης ιχνών ” έχει μεγάλη σημασία, γιατί περιορίζει πάρα πολύ τους δυνατούς τύπους που μπορεί να έχουν οι μαύρες τρύπες. Μπορεί λοιπόν κανείς να θεωρήσει λεπτομερή μοντέλα συστημάτων που ίσως περιέχουν μαύρες τρύπες και να συγκρίνει τις προβλέψεις αυτών των μοντέλων με τις παρατηρήσεις. Το θεώρημα αυτό σημαίνει επίσης ότι μια πολύ μεγάλη ποσότητα πληροφορίας που αφορούσε το αρχικό αντικείμενο πρέπει να χάνεται όταν σχηματίζεται η μαύρη τρύπα, αφού το μόνο που μπορούμε να μετρήσουμε από το αντικείμενο αυτό μετά το σχηματισμό της μαύρης τρύπας είναι η μάζα του και ο ρυθμός περιστροφής του.

Το έντονο βαρυτικό πεδίο μιας μαύρης τρύπας που κινείται σε τροχιά γύρω από έναν συνοδό αστέρα αποσπά ύλη από αυτόν, η οποία πέφτει σπειροειδώς προς τον ορίζοντα γεγονότων. Οι απίστευτες ενέργειες που εκλύονται, με την μορφή ακτίνων Χ, αποτελούν μια από τις “ υπογραφές ” της μαύρης τρύπας.
Stephen Hawking, Το χρονικό του χρόνου, Κάτοπτρο 2000
Πως μπορούμε να ανιχνεύσουμε μια μαύρη τρύπα εφόσον αυτή δεν εκπέμπει καθόλου φως ; Ευτυχώς υπάρχει κάποιος τρόπος. Όπως έδειξε κι ο John Michell στην πρωτοποριακή εργασία του yes το 1783, μια μαύρη τρύπα εξακολουθεί να ασκεί βαρυτική έλξη στα αντικείμενα που βρίσκονται κοντά της.
Οι αστρονόμοι έχουν παρατηρήσει πολλές περιπτώσεις όπου δύο αστέρια έλκονται μεταξύ τους και κινούνται το ένα γύρω από το άλλο. Έχουν παρατηρήσει επίσης αστέρια που κινούνται σε τροχιά γύρω από έναν αθέατο συνοδό τους. Δεν μπορεί βέβαια να συμπεράνει κανείς ότι αυτό το αθέατο αστέρι πρέπει να είναι οπωσδήποτε μια μαύρη τρύπα.
Μερικά τέτοια συστήματα δύο αστεριών, όμως, όπως αυτό που βρίσκεται στον αστερισμό του Κύκνου και ονομάζεται Κύκνος Χ-1, είναι και ισχυρές πηγές ακτίνων Χ. Η καλύτερη εξήγηση για το φαινόμενο αυτό είναι ότι κάποια ποσότητα ύλης που έχει εκτιναχθεί από την επιφάνεια του ορατού αστεριού έλκεται από τον αθέατο συνοδό του και πέφτει πάνω του ακολουθώντας σπειροειδή τροχιά ( σαν το νερό που αδειάζει από τον νιπτήρα ). Κατά την κίνησή της αυτή η ύλη θερμαίνεται πολύ και εκπέμπει ακτίνες Χ. ( Βλ. παραπάνω φωτογραφία ).
Για να λειτουργήσει αυτός ο μηχανισμός, το αθέατο αντικείμενο πρέπει να έχει πολύ μικρό μέγεθος, όπως ένας λευκός νάνος, ένα αστέρι νετρονίων ή μια μαύρη τρύπα. Από την παρατηρούμενη τροχιά του ορατού αστεριού μπορούμε να προσδιορίσουμε τη μικρότερη δυνατή μάζα που μπορεί να έχει το αντικείμενο. Στην περίπτωση του Κύκνου Χ-1, αυτή πρέπει να είναι περίπου 6 φορές η μάζα του Ήλιου. Τέτοια μάζα, σύμφωνα με το όριο Chandrasekhar, είναι πάρα πολύ μεγάλη για ένα λευκό νάνο, αλλά και για ένα αστέρι νετρονίων. Φαίνεται λοιπόν ότι αυτό το αθέατο αντικείμενο πρέπει να είναι μια μαύρη τρύπα.
Σήμερα έχουμε αρκετές ενδείξεις ότι υπάρχουν μαύρες τρύπες και σε κάποια άλλα συστήματα αστεριών σαν τον Κύκνο Χ-1 στον Γαλαξία μας και σε άλλους γειτονικούς γαλαξίες. Είναι όμως σχεδόν βέβαιο ότι το πλήθος των άστρων που πρέπει να έχουν μετατραπεί σε μαύρες τρύπες στη μακραίωνη ιστορία του σύμπαντος είναι πολύ πιο μεγάλο, αφού στη διάρκεια αυτή πολλά αστέρια πρέπει να εξάντλησαν τα πυρηνικά τους καύσιμα και να κατάρρευσαν.
Μάλιστα, οι μαύρες τρύπες μπορεί να είναι περισσότερες κι από τα ορατά αστέρια, τα οποία μόνο στο Γαλαξία μας είναι περίπου εκατό δισεκατομμύρια. Η πρόσθετη βαρυτική έλξη από τόσες πολλές μαύρες τρύπες μπορεί να εξηγήσει τον ρυθμό περιστροφής του Γαλαξία μας – η μάζα των ορατών αστεριών δεν είναι από μόνη της αρκετά μεγάλη για να προκαλέσει έναν τέτοιο ρυθμό περιστροφής.
Έχουμε επίσης ενδείξεις ότι στο κέντρο του Γαλαξία μας υπάρχει μια πολύ μεγάλη μαύρη τρύπα, με μάζα μερικών εκατομμυρίων ηλιακών μαζών. Τ' αστέρια του Γαλαξία που θα πλησιάζουν πολύ αυτή τη μαύρη τρύπα θα διαλύονται από την διαφορά των δυνάμεων της βααρυτικής έλξης στα σημεία που βρίσκονται σε διαφορετικές αποστάσεις από αυτήν. Τα υπολείμματά τους μαζί με τα αέρια που θα διαφεύγουν από άλλα άστρα θα πέφτουν προς την μαύρη τρύπα.
Όπως συμβαίνει και στον Κύκνο Χ-1, όλη αυτή η ύλη θ’ ακολουθεί σπειροειδή τροχιά, και κατά την κίνησή της αυτή θα θερμαίνεται, όχι όμως τόσο που να εκπέμπει ακτίνες Χ. Μπορεί όμως σ’ αυτήν να οφείλεται η εκπομπή ραδιοκυμάτων και υπέρυθρων ακτίνων που παρατηρούμε ότι πηγάζουν από μια πολύ μικρή περιοχή στο κέντρο του Γαλαξία μας.

Η τεράστιας μάζας μαύρη τρύπα στο κέντρο ενός γαλαξία θα περιστρεφόταν μαζί με την ύλη που θα είλκυε, δημιουργώντας ένα γιγαντιαίο μαγνητικό πεδίο. Έτσι, σωματίδια πολύ υψηλής ενέργειας θα συγκεντρωνόταν σε πίδακες κατά μήκος του άξονα περιστροφής της.
Stephen Hawking, Το χρονικό του χρόνου, Κάτοπτρο 2000
Έχει εξεταστεί επίσης ότι παρόμοιες αλλά μεγαλύτερες μαύρες τρύπες, με μάζα εκατό εκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου, υπάρχουν στα κέντρα των κβάζαρ. Παρατηρήσεις που έγιναν με τη βοήθεια του Διαστημικού Τηλεσκοπίου Hubble αποκάλυψαν ότι ο γαλαξίας Μ87 περιέχει ένα δίσκο αερίων διαμέτρου 130 ετών φωτός που περιστρέφεται γύρω από ένα κεντρικό αντικείμενο με μάζα δύο δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου. Το αντικείμενο αυτό δεν μπορεί παρά να είναι μαύρη τρύπα.
Μόνον ύλη που πέφτει μέσα σε μια τέτοια μαύρη τρύπα με πολύ μεγάλη μάζα μπορεί να αποτελεί πηγή ισχύος τόσο μεγάλη ώστε να εξηγούνται τα τεράστια ποσά ενέργειας που εκπέμπουν αυτά τα αντικείμενα. Αυτή η ύλη, πέφτοντας κατά την σπειροειδή τροχιά της προς την μαύρη τρύπα, θα μπορούσε να την αναγκάσει να περιστραφεί κατά την ίδια κατεύθυνση κι έτσι να δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο όπως αυτό της Γης.
Στην περιοχή κοντά στη μαύρη τρύπα τα διάφορα σωματίδια ύλης που θα έπεφταν προς αυτήν θα αποκτούσαν πολύ μεγάλη ενέργεια. Επειδή το μαγνητικό πεδίο της μαύρης τρύπας θα ήταν πολύ ισχυρό, θα μπορούσε να συγκεντρώσει αυτά τα σωματίδια σε μεγάλους πίδακες που θα εκτινασσόταν προς τα έξω κατά μήκος του άξονα περιστροφής της, δηλαδή κατά τις κατευθύνσεις του βόρειου και νότιου πόλου της. Πραγματικά, τέτοιοι πίδακες παρατηρούνται σε αρκετούς γαλαξίες και κβάζαρ.
.
Σε αυτή την εικόνα, μια μαύρη τρύπα περιφέρεται γύρω από ένα κυανό γίγαντα αστέρα και καταβροχθίζει τις γενναιόδωρες μερίδες αερίου που εκείνος της παρέχει. Καθώς το αέριο στροβιλίζεται προς τον δίσκο προσαύξησης της τρύπας, η ύλη που περισσεύει εκτοξεύεται σε δύο πίδακες με την απίστευτη ταχύτητα των 100.000 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο, το ένα τρίτο της ταχύτητας του φωτός.
Terence Dickinson, Το σύμπαν και πέρα από αυτό
Πλανητάριο Θεσσαλονίκης 2004
Αν και οι αστρονόμοι υποπτεύονται ότι υπάρχουν μαύρες τρύπες πολύ μεγάλης μάζας στους πυρήνες όλων των γαλαξιών, μόνο μερικές δεκάδες μαύρες τρύπες με μάζα περίπου ίση με του Ήλιου μας έχουν εντοπισθεί μέσα στο Γαλαξία μας.
Ο Κύκνος Χ-1, το πρώτο και, από πολλές απόψεις, το πιο πειστικό παράδειγμα, ανακαλύφθηκε το 1971, όταν οι έντονες εκπομπές του σε ακτίνες Χ καταγράφτηκαν από το Uhuru, το πρώτο εν τροχιά παρατηρητήριο ακτίνων Χ. Πριν την τοποθέτηση οργάνων σε τροχιά δεν μπορούσαμε να “ δούμε ” μια μαύρη τρύπα, γιατί η προστατευτική ατμόσφαιρα της Γης μπλοκάρει όλες τις ακτίνες Χ. Η πηγή των ακτίνων Χ συμπίπτει με τη θέση ενός αστέρα που είναι γνωστός ως HDE 226868, ενός κυανού γίγαντα που έχει περίπου 27 ηλιακές μάζες και απέχει από τη Γη 11.000 έτη φωτός.
Φασματοσκόπια προσαρμοσμένα σε επίγεια τηλεσκόπια αποκάλυψαν ότι ο κυανός γίγαντας διαδοχικά πλησιάζει κι απομακρύνεται από τη Γη, σ’ ένα κύκλο εναλλαγής που διαρκεί 5,5 μέρες, γεγονός που υποδεικνύει ότι βρίσκεται σε τροχιά με περίοδο 5,5 μέρες γύρω από ένα αόρατο αντικείμενο. Αναλύοντας αυτή την τροχιά, οι αστρονόμοι υπολόγισαν ότι το αντικείμενο πρέπει να έχει μάζα περίπου 15 φορές όση ο Ήλιος μας. Αφού το άνω όριο για έναν αστέρα νετρονίων είναι οι τέσσερις ηλιακές μάζες, δεν μπορεί να είναι άλλο παρά μαύρη τρύπα.
Τα δύο αντικείμενα στο σύστημα Κύκνος Χ-1, απέχουν μεταξύ τους ένα πέμπτο της αστρονομικής μονάδας ( Astronomical Unit = 1AU = η απόσταση Γης – Ήλιου ) και η μαύρη τρύπα ρουφάει ύλη από τον κυανό γίγαντα με ρυθμό 100 δισεκατομμυρίων τόνων την ημέρα. Καθώς καταδύεται στην τρύπα η ύλη ψήνεται σε εκατοντάδες εκατομμύρια βαθμούς, με αποτέλεσμα να εκπέμπονται ακτίνες Χ, οι οποίες τράβηξαν την προσοχή των αστρονόμων. Η ύλη που περιδινείται γύρω από την μαύρη τρύπα σχηματίζει έναν επίπεδο δίσκο γύρω από τον ισημερινό της τρύπας. ( Η στροφορμή από την περιστροφή του αρχικού αστεριού έχει διατηρηθεί, δίνοντας στην τρύπα ισημερινό και πόλους ).
Ο δίσκος προσαύξησης όπως ονομάζεται, πιστεύεται ότι υπάρχει γύρω από όλα τα αντικείμενα υψηλής πυκνότητας – μαύρες τρύπες, αστέρες νετρονίων και λευκούς νάνους – που απορροφούν ύλη από το περιβάλλον τους. Όταν ένα τέτοιο αντικείμενο υψηλής πυκνότητας συζευγνύεται μ’ έναν συνηθισμένο αστέρι σχηματίζοντας ένα στενό διπλό σύστημα, παράγονται τεράστιες ποσότητες ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας καθώς το συμπαγές αντικείμενο θερμαίνει και κατόπιν αρπάζει ύλη από το γείτονά του.
Πηγές στοιχείων : Stephen Hawking, Το χρονικό του χρόνου, Κάτοπτρο 2000, Μαύρες τρύπες και σύμπαντα βρέφη, Κάτοπτρο 1993, Στους ώμους γιγάντων, Τραυλός 2006, Το Σύμπαν σ' ένα καρυδότσουφλο, Κάτοπτρο 2001, Terence Dickinson, Το Σύμπαν και πέρα από αυτό, Πλανητάριο Θεσσαλονίκης 2004, Το βιβλίο των επιστημών, Αλεξάνδρεια 2005 κι η ιστοσελίδα που ήδη αναφέρθηκε.

Δεν υπάρχουν σχόλια: