Αρχική Διάστημα Μαύρη τρύπα: Μύθοι και αλήθειες

Μαύρη τρύπα: Μύθοι και αλήθειες

0
ΚΟΙΝΟΠΟΙΗΣΗ
black hole

ΣΙΜΟΠΟΥΛΟΣτου Διονύση Π. Σιμόπουλου, Επίτιμου διευθυντή του Ευγενιδείου Πλανηταρίου

Με την ευκαιρία της χθεσινής ανακοίνωσης για την φωτογράφηση του «ορίζοντα γεγονότων» της Μαύρης Τρύπας στο κέντρο του γαλαξία Μ-87 παρουσιάζουμε ορισμένα στοιχεία για τα παράξενα αυτά αντικείμενα του Σύμπαντος:

Στο Εσωτερικό μιας Μαύρης Τρύπας

Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν υπονοεί ότι στο Σύμπαν θα μπορούσε να υπάρξει κάποιο αντικείμενο με υλικά τόσο πολύ συμπιεσμένα, ώστε η δύναμη της βαρύτητας του να παραμορφώσει το χωρόχρονο γύρω του σε αφάνταστο βαθμό και μέχρις ότου αυτό τούτο το αντικείμενο, «ανοίγοντας» μια «τρύπα» στη δομή του σύμπαντος, «χαθεί» για πάντα απ’ αυτό. Οτιδήποτε δηλαδή και αν «πέσει» μέσα σε μια μαύρη τρύπα «χάνεται» από το Σύμπαν, γιατί η βαρύτητά της είναι τόσο μεγάλη ώστε ούτε και αυτό ακόμη το φως να μην μπορεί να διαφύγει από την ελκτική της δύναμη. Μια «μαύρη τρύπα» λοιπόν είναι ένα «άστρο» που έχει καταρρεύσει σ’ ένα απειροελάχιστα μικροσκοπικό μέγεθος, αφήνοντας πίσω του την ένταση μόνο της βαρύτητάς του. Μ’ αυτή λοιπόν την έννοια μπορούμε να μιλάμε για «μαύρες τρύπες» στο διάστημα. Γι’ αυτό άλλωστε δεν είναι καθόλου παράξενο που μια μαύρη τρύπα αντιμετωπίζεται σήμερα ως ένα πραγματικά αδιανόητο ουράνιο αντικείμενο, όπου οι νόμοι της φυσικής έχουν «σηκώσει τα χέρια ψηλά», αδυνατώντας να προβλέψουν το τι συμβαίνει στο εσωτερικό του.

Η φωτογράφηση όμως του “ορίζοντα γεγονότων” μας Μαύρης Τρύπας μας οδηγεί να δώσουμε απαντήσεις και σε ερωτήματα όπως είναι, για παράδειγμα, για το τι θα συνέβαινε εάν ταξιδεύαμε κοντά σε μια μαύρη τρύπα! Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας μας περιγράφει μια πραγματικά ενδιαφέρουσα εμπειρία αφού αν πλησιάζαμε μια μαύρη τρύπα μ’ ένα διαστημόπλοιο, η ισχυρότατη δύναμη της βαρύτητάς της θα το υποχρέωνε να τεντωθεί σαν λάστιχο, και κάθε άτομο του και όλων όσων θα βρίσκονταν στο εσωτερικό του, θα παραμορφώνονταν τρομαχτικά. Αν στέλναμε κάποιο φανάρι, θα παρατηρούσαμε ότι το φως του ελαττώνεται όλο και πιο πολύ καθώς αυτό πλησίαζε τον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας. Τα φωτεινά δηλαδή κύματα χάνουν τόση πολλή ενέργεια στην προσπάθειά τους να σκαρφαλώσουν μακριά από την βαρύτητα της τρύπας ώστε έχουμε σαν αποτέλεσμα το αδυνάτισμα της φωτεινής τους έντασης. Το φως από ένα φανάρι που θα έφτανε ακριβώς στην επιφάνεια του ορίζοντα, δεν μπορεί να φτάσει ποτέ μέχρι τα μάτια μας. Αν πάλι στέλναμε ένα ρολόι, τότε θα παρατηρούσαμε ότι καθώς αυτό πλησίαζε την μαύρη τρύπα ο χρόνος θα έτρεχε όλο και πιο αργά.

black hole M 87 a Φυσικά, τα πάντα είναι σχετικά. Αν δηλαδή με κάποιο τρόπο αφήναμε το διαστημόπλοιο και πλησιάζαμε την μαύρη τρύπα, δεν θα αισθανόμασταν καμιά αλλαγή στον χρόνο. Γιατί το ρολόι που θα είχαμε μαζί μας θα έδειχνε ότι για μας ο χρόνος τρέχει κανονικά. Αντίθετα αν μπορούσαμε να διακρίνουμε τους δείχτες του ρολογιού που αφήσαμε στο διαστημόπλοιό μας, θα τους βλέπαμε να τρέχουν με τεράστιες ταχύτητες. Από τα πρόθυρα της μαύρης τρύπας ο χρόνος στο διαστημόπλοιο, καθώς και σε οποιοδήποτε άλλο σημείο του σύμπαντος, θα έτρεχε με απίστευτη ταχύτητα. Αυτή η «παραμόρφωση» του χρόνου μας λέει ότι, αν με κάποιον τρόπο μπορούσαμε να ξεφύγουμε από την ελκτική δύναμη της μαύρης τρύπας και επιστρέφαμε και πάλι στο διαστημόπλοιό μας, θα βρισκόμασταν στο μέλλον. Συμβαίνει δηλαδή και στον χρόνο το ίδιο που συμβαίνει και στον χώρο, γιατί η παρουσία της μαύρης τρύπας δημιουργεί όχι μόνο χώρο-παραμόρφωση αλλά και χρόνο-παραμόρφωση. Κι όταν τελικά το ρολόι θα φτάσει στον ορίζοντα γεγονότων, ο χρόνος γι’ αυτό θα σταματήσει τελείως. Μ’ αυτή την έννοια δηλαδή ο μαύρες τρύπες μπορεί να θεωρηθούν και σαν ένα είδος «μηχανών του χρόνου»! Μηχανές του χρόνου όμως που μπορούν να μας μεταφέρουν μόνο προς το μέλλον.

Σκουληκότρυπες

Ίσως πάλι οι μαύρες τρύπες να μην λειτουργούν απλά και μόνο σαν χρόνο-μηχανές, ούτε όμως και σαν τρύπες, αλλά να είναι ένα είδος χωροχρονικής σήραγγας που θα μας μετέφερε σε κάποιο άλλο σημείο του δικού μας ή κάποιου άλλου σύμπαντος. Μερικοί αστροφυσικοί υποστηρίζουν ότι οι εξισώσεις του Αϊνστάιν δεν αποκλείουν κάτι τέτοιο. Αντιμετωπίζουμε έτσι ένα από τα βασικά ερωτήματα που αφορούν την τύχη των υλικών που εισχωρούν στην μαύρη τρύπα: που πηγαίνουν, δηλαδή τα υλικά αυτά; Αφού η βαρυτική δύναμη της μαύρης τρύπας εμποδίζει σε οποιαδήποτε πληροφορία να διαφύγει απ’ αυτήν, δεν υπάρχει τρόπος να γνωρίζουμε τον μελλοντικό τους πραγματικό δρόμο. Το γεγονός όμως αυτό δεν εμποδίζει τους θεωρητικούς φυσικούς από του να κάνουν τις δικές τους μαθηματικές υποθέσεις.

Τρεις είναι οι πιθανότητες που διερευνώνται, με πρώτη και καλύτερη τον απλό «αφανισμό» των υλικών στην ιδιόμορφη καρδιά της μαύρης τρύπας. Οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν επίσης να σχηματίζουν παράξενες κοσμικές σήραγγες (μερικοί τις ονομάζουν «σκουληκότρυπες») που ίσως να οδηγούν σε κάποιο άλλο άγνωστο σύμπαν, με το οποίο δεν υπάρχει καμιά άλλη επικοινωνία ούτε και τρόπος επιστροφής. Η τρίτη πιθανότητα, και ίσως η πιο ενδιαφέρουσα απ’ όλες, προτείνει την συνένωση μιας μαύρης τρύπας με άλλα σημεία του δικού μας σύμπαντος. Σημεία δηλαδή που απέχουν μεταξύ τους όχι μόνο στον χώρο αλλά και στον χρόνο. Πολλοί μάλιστα παρομοιάζουν τις ουράνιες αυτές σκουληκότρυπες με την προσφιλή «εφεύρεση» των συγγραφέων επιστημονικής φαντασίας που έχουν βαφτίσει «υπερδιάστημα», μια έννοια η οποία, παρ’ όλο που δεν υπάρχει στη φύση, επιτρέπει στους ήρωες των διαστημικών μυθιστορημάτων να μετακινούνται από άστρο σε άστρο σχεδόν στιγμιαία. Στο εσωτερικό μιας Μαύρης Τρύπας όμως υπάρχει τόσο μεγάλη βιαιότητα ώστε η δημιουργία μιας σκουληκότρυπας είναι αδύνατη, και πόσο μάλλον για να μπορέσουμε να την διασχίσουμε.

Όλα αυτά δεν είναι παρά η προσωποποίηση της άκρατης καταστροφικής μανίας της Φύσης σε κλίμακα που μας είναι αδιανόητη. Ή μήπως όχι, αφού στην πραγματικότητα δεν πρόκειται παρά για την απλή διεκπεραίωση των φαινομένων ενός ανήσυχου Σύμπαντος. Οπότε, αφού ο χρόνος και ο χώρος είναι έννοιες που δεν έχουν καμιά υπόσταση στο εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας, υπάρχει πιθανότητα κάποτε στο μέλλον, και με την κατάλληλη τεχνολογία, να γίνουν οι μαύρες τρύπες το κλειδί των μελλοντικών μας μετακινήσεων στην προσπάθειά μας να εξερευνήσουμε ολάκερο το Σύμπαν. Αρκεί, βέβαια, η μαύρη τρύπα που θα διαλέξουμε για ένα τέτοιο ταξίδι, να είναι αρκετά μεγάλη, μια και οι τελευταίες θεωρητικές έρευνες μας πληροφορούν ότι στο Σύμπαν υπάρχουν μαύρες τρύπες σε όλα τα μεγέθη.

black hole M 87 b

Το Μέγεθος μιας Μαύρης Τρύπας

Οι «κανονικές» μαύρες τρύπες που προέρχονται από τις εκρήξεις αστρικών σουπερνόβα έχουν διάμετρο μέχρι 50 περίπου χιλιόμετρα. Χιλιάδες τέτοιες μαύρες τρύπες πρέπει να υπάρχουν ήδη στο Γαλαξία μας και μόνο. Υπάρχουν όμως και «μίνι» μαύρες τρύπες, με την μάζα ενός ολάκερου βουνού συμπιεσμένη στο χώρο που καταλαμβάνει ένα άτομο. Το Σύμπαν μπορεί να περιλαμβάνει έναν «άπειρο» αριθμό τέτοιων μίνι-τεράτων, που δημιουργήθηκαν την στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης. Το 1974 ο περίφημος φυσικός Stephen Hawking ανακάλυψε μια «παραξενιά» στους Νόμους της Φυσικής και υπολόγισε ότι οι μαύρες τρύπες εκπέμπουν κβαντική ακτινοβολία που έκτοτε ονομάστηκε «ακτινοβολία Χώκινγκ». Γεγονός που σημαίνει ότι οι περισσότερες μίνι μαύρες τρύπες πρέπει να έχουν «εξατμιστεί» εδώ και πολύ καιρό. Φυσικά μερικές μπορεί να υπάρχουν ακόμη και ίσως να εκρήγνυνται εδώ κι εκεί στο διάστημα.

Φυσικά, όσο πιο μεγάλη είναι μια μαύρη τρύπα τόσο πιο μικρή είναι η ακτινοβολία της. Στην περίπτωση, για παράδειγμα, των μαύρων τρυπών που προέρχονται από την κατάρρευση γιγάντιων άστρων η «εξάτμιση» είναι μια πάρα πολύ αργή διαδικασία καθώς απαιτεί τρισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων χρόνια. (Για μαύρες τρύπες δύο ηλιακών μαζών χρειάζονται 10^67 χρόνια (η μονάδα ακολουθούμενη από 67 μηδενικά), αφού η αρχική τους θερμοκρασία είναι ίση σχεδόν με το απόλυτο μηδέν!) Όταν όμως έρθει ο καιρός (μετά από τρισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων χρόνια), η θερμοκρασία στο εσωτερικό της θα ανέλθει σε δεκάδες χιλιάδες τρισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου, με αποτέλεσμα την έκρηξη της μαύρης τρύπας μέσα σε κλάσμα του δευτερολέπτου.

Την άνοιξη του 2007 ανακοινώθηκε επίσης ο εντοπισμός μιας μαύρης τρύπας με μάζα 20.000 φορές μεγαλύτερη από την μάζα του Ήλιου. Η νέα αυτή “μεσαίου μεγέθους” μαύρη τρύπα ανακαλύφτηκε (με τη βοήθεια του συμπλέγματος των 27 ραδιοτηλεσκοπίων VLA που βρίσκεται στο Σοκόρο του Νέου Μεξικού) στο εσωτερικό του σφαιρωτού σμήνους G1 στον γαλαξία της Ανδρομέδας (Μ31), σε απόσταση 2,3 εκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη. Στο άλλο πάλι άκρο των μεγεθών, και στο κέντρο των γαλαξιών υπάρχουν «σούπερ» μαύρες τρύπες που περιέχουν τη μάζα εκατομμυρίων ήλιων σ’ ένα χώρο που δεν υπερβαίνει τη διάμετρο του ηλιακού μας συστήματος. Μια τέτοια τερατώδης μαύρη τρύπα έχει την φωλιά της στο κέντρο του δικού μας Γαλαξία. Οι μέχρι τώρα παρατηρήσεις που έχουμε κάνει μας διαγράφουν θαμπά ότι το κύριο χαρακτηριστικό στο κέντρο του Γαλαξία μας είναι η ύπαρξη μιας γιγάντιας μαύρης τρύπας που περιβάλλεται από έναν φωτεινό δίσκο αστροϋλικών. Η μαύρη αυτή τρύπα καταβροχθίζει κυριολεκτικά ένα προς ένα τα άστρα του γαλαξιακού μας πυρήνα καθώς αυτά εξελίσσονται και πέφτουν προς το κέντρο. Και βέβαια εκτός από άστρα το αδηφάγο αυτό τέρας εξαφανίζει και οτιδήποτε άλλο τολμήσει να το πλησιάσει με αποτέλεσμα την συνεχή του επέκταση.

Η Μαύρη Τρύπα του Γαλαξία μας

Οι μελέτες που κάναμε στο κέντρο του Γαλαξία μάς βοήθησαν να ανακαλύψουμε ότι τα άστρα που περιφέρονται γύρω από ένα σημείο του γαλαξιακού κέντρου, σε απόσταση 26.000 ετών φωτός από τον Ήλιο, επιταχύνονται σε ταχύτητες που φτάνουν τα πέντε εκατομμύρια χιλιόμετρα την ώρα. Στην κεντρική σφαιρική περιοχή του γαλαξιακού πυρήνα, με διάμετρο δύο περίπου ετών φωτός, περιλαμβάνονται πάνω από ένα εκατομμύριο άστρα. Η πυκνότητα των άστρων σ’ αυτή την περιοχή είναι 10 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από την πυκνότητα της αστρικής μας περιοχής του Ήλιου. Αν ζούσαμε σε κάποιον πλανήτη εκεί κοντά ο νυχτερινός μας ουρανός θα ήταν γεμάτος με άστρα που καθένα τους θα έλαμπε με τη φωτεινότητα της πανσελήνου. Στο κέντρο τώρα όλης αυτής της δραστηριότητας βρίσκεται μια ιδιαίτερα ενεργή πηγή ακτινοβολιών με μέγεθος 10 Αστρονομικών Μονάδων (1,5 δισεκατομμύρια χιλιόμετρα) που ονομάζουμε Τοξότη Α*.

Η ενέργεια της ακτινοβολίας γάμα που μετρήθηκε από την περιοχή αυτή, έχει 255.000 φορές μεγαλύτερη ένταση από αυτήν του ορατού φωτός, και οφείλεται στην εξαΰλωση τεραστίων ποσοτήτων αντιύλης. Δέκα δισεκατομμύρια τόνοι ποζιτρονίων καταστρέφονται εκεί κάθε δευτερόλεπτο, πράγμα που σημαίνει ότι η πηγή από την οποία προέρχεται η ακτινοβολία αυτή δεν μπορεί να συγκριθεί καν με οποιοδήποτε άλλο αντικείμενο στον Γαλαξία μας. Άλλες πάλι μετρήσεις έχουν προσδιορίσει ότι η ένταση της ενέργειας που προέρχεται απ’ εκεί είναι 3,5 φορές πιο μεγάλη απ’ ότι υπολογίζαμε μέχρι τώρα, και περιλαμβάνει υπέρυθρη ακτινοβολία, μικροκύματα και ακτίνες Χ. Έτσι σε μια περιοχή με ακτίνα ενός έτους φωτός από το κέντρο, τα άστρα και η μεσοαστρική ύλη συμπεριφέρονται σαν να περιλαμβάνουν την μάζα τεσσάρων εκατομμυρίων ήλιων. Οι μέχρι σήμερα δηλαδή μελέτες, μας οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η έντονη δραστηριότητα που παρατηρείται στο Γαλαξιακό κέντρο οφείλεται στην ύπαρξη μιας τεράστιας μαύρης τρύπας με διάμετρο 1,2 δισεκατομμυρίων χιλιομέτρων, μια διάμετρο δηλαδή παρόμοια με την τροχιά του Δία γύρω από τον Ήλιο.

Στην προσπάθειά μας όμως να αποκαλύψουμε τα μυστικά του δικού μας Γαλαξιακού κέντρου, έχουμε ήδη στρέψει την προσοχή μας και έχουμε αρχίσει να μελετάμε πιο επισταμένα τα κέντρα και των άλλων γαλαξιών του Σύμπαντος. Γιατί ακόμη και πέρα από τον δικό μας Γαλαξία, έχουμε ήδη βρεθεί αποδείξεις για την ύπαρξη τέτοιων βίαιων διαδικασιών σε γαλαξιακή κλίμακα. Ενώ δηλαδή οι περισσότεροι γαλαξίες παρουσιάζουν μια συμμετρική μορφή σπειροειδών ή ελλειπτικών συγκεντρώσεων δεκάδων δισεκατομμυρίων άστρων, υπάρχουν άλλοι που μοιάζουν με χαώδεις και κομματιασμένες μάζες. Η ύπαρξη τέτοιων γαλαξιών μας οδηγεί να κάνουμε την υπόθεση ότι και οι περισσότεροι άλλοι γαλαξίες θα έχουν κι αυτοί παρόμοιες τεράστιες μαύρες τρύπες στο κέντρο τους. Σε μερικούς μάλιστα από τα ένα τρισεκατομμύριο γαλαξίες που υπάρχουν έχουμε ήδη εντοπίσει αναταραχές γιγαντιαίων διαστάσεων.

Η Μαύρη Τρύπα του Μ-87

Πενήντα πέντε εκατομμύρια έτη φωτός μακριά μας βρίσκεται ο γιγάντιος ελλειπτικός γαλαξίας Μ-87. Ο πυρήνας του αποτελείται από ένα πυκνό μείγμα άστρων και υπερθερμασμένων αερίων. Πρόκειται για ηλεκτρόνια που επιταχύνονται σπειροειδώς, μέσα σε ισχυρά μαγνητικά πεδία, με αποτέλεσμα την εκτόξευση ενός τεράστιου πίδακα με γαλακτερή απόχρωση. Γεγονός που μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι το φαινόμενο αυτό πρέπει να είναι το αποτέλεσμα μιας αλυσιδωτής καταστροφής εκατομμυρίων άστρων στον πυρήνα τέτοιων γαλαξιών. Μια τέτοιας έκτασης καταστροφή όμως μπορεί να εξηγηθεί μόνο από την ύπαρξη μιας τεράστιας κεντρικής μαύρης τρύπας που καταβροχθίζει τον πυρήνα παρόμοιων γαλαξιών.

Θα μπορούσε φυσικά να υποστηρίξει κανείς ότι οι τεράστιες μαύρες τρύπες στα κέντρα των γειτονικών μας γαλαξιών είναι σχετικά ήρεμες επειδή έχουν ήδη καταβροχθίσει τις μεγαλύτερες ποσότητες ύλης της γειτονιάς τους. Αν και συνεχίζουν ακόμη να προσελκύουν ότι υλικά πέσουν στην επίδραση των βαρυτικών τους έλξεων, πριν από εκατοντάδες εκατομμύρια ή και δισεκατομμύρια χρόνια, η δραστηριότητα των γαλαξιακών αυτών πυρήνων πρέπει να ήταν ασύλληπτη από τον ανθρώπινο νου, και ίσως τελικά το γεγονός αυτό να είναι και η καλύτερη εξήγηση για τις τεράστιες ποσότητες ενέργειας που εκπέμπουν τα αστρόμορφα αντικείμενα που ονομάζουμε «κβάζαρ». Αυτά τα, φαινομενικά τουλάχιστον, πιο απόμακρα αντικείμενα στο Σύμπαν φαίνονται να εκπέμπουν τόση ενέργεια όση 1.000 γαλαξίες μαζί, και παρ’ όλα αυτά η ακατανόητη αυτή ποσότητα ενέργειας παράγεται σε ένα χώρο που δεν υπερβαίνει σε μέγεθος το ηλιακό μας σύστημα!

Κι έτσι, καθώς η επιστήμη και η φαντασία του σύγχρονου ανθρώπου προσπαθεί να κατανοήσει ένα Σύμπαν γεμάτο με απίθανες κοσμικές δυνάμεις και επικίνδυνες Μαύρες Τρύπες, μπορούμε να παρηγορηθούμε με την σταθερότητα ενός κόσμου που, προς το παρόν τουλάχιστον, περιφέρεται γύρω από ένα σταθερό άστρο σ’ έναν από τους σπειροειδείς βραχίονες του Γαλαξία μας. Πρόκειται για ένα κόσμο του οποίου οι κάτοικοι, στην προσπάθειά τους να μάθουν περισσότερα, χρησιμοποίησαν ανέκαθεν την ευφυΐα, την υπομονή και την τεχνολογία τους για να μπορέσουν να διευκρινίσουν την πραγματική φύση του Σύμπαντος που τους περιβάλλει.

Photo Credit: Event Horizon Telescope collaboration et al.

ΑΦΗΣΤΕ ΜΙΑ ΑΠΑΝΤΗΣΗ

Please enter your comment!
Please enter your name here