Οι γιγάντιες μαύρες τρύπες μπορεί να βρίσκονται σε πορεία σύγκρουσης

Οι περισσότεροι γαλαξίες έχουν μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα που κρύβεται στα κέντρα τους, αλλά ένας γαλαξίας 10,5 δισεκατομμυρίων ετών φωτός μακριά μοιάζει να έχει δύο—και το ζευγάρι μπορεί να συντριβεί μαζί σε μόλις 21 χρόνια. Εάν οι παρατηρήσεις επιβεβαιωθούν, το δίδυμο θα είναι το πλησιέστερο γνωστό σύνολο δυαδικών μαύρων οπών και η επικείμενη σύγκρουσή τους θα προσφέρει στους επιστήμονες μια άνευ προηγουμένου ευκαιρία να παρακολουθήσουν ακραία φυσική σε δράση. [Βίντεο:Όταν οι Μαύρες Τρύπες συγκρούονται]

Οι πιθανές μαύρες τρύπες είναι αδύνατο να δούμε απευθείας. Εκτός από το ότι είναι μαύρα —δηλαδή αόρατα— είναι πολύ μακριά από τη Γη και πολύ κοντά το ένα στο άλλο για να το διακρίνουν με τηλεσκόπια. Αλλά οι επιστήμονες βρήκαν αυτό που πιστεύουν ότι είναι η ενδεικτική υπογραφή ενός ζευγαριού από αυτά τα μεγαθήρια που κάνουν κύκλους μαζί. Οι φαινομενικές μαύρες τρύπες βρίσκονται σε αυτό που είναι γνωστό ως κβάζαρ - ένας γαλαξίας που απελευθερώνει έναν χείμαρρο φωτός καθώς η μάζα καταβροχθίζεται από τη γιγάντια μαύρη τρύπα στο κέντρο του. Το φως από τα περισσότερα κβάζαρ τρεμοπαίζει τυχαία καθώς πέφτει ελαφρώς μεγαλύτερη ή λιγότερη μάζα. Αλλά εάν δύο μαύρες τρύπες βρίσκονται στον πυρήνα, αντί για μία, οι τροχιακές τους κινήσεις θα διαταράξουν το αέριο γύρω τους με τακτοποιημένο τρόπο, προκαλώντας την άνοδο του φωτός και πέφτουν περιοδικά.

Ο Tingting Liu, ένας μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο του Maryland, College Park, ανέλυσε το φως που πέφτει από 316 κβάζαρ όπως φαίνεται από το Pan-STARRS 1 (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System) Medium-Deep Survey, μια σάρωση του ουρανού που πραγματοποιήθηκε από το τηλεσκόπιο Pan-STARRS1 στο όρος Haleakala στη Χαβάη. Έψαξε για περιοδικά μοτίβα στο φως και ένα κβάζαρ με το δυσκίνητο όνομα PSO J334.2028+01.4075 αποδείχθηκε ότι είχε τα καλύτερα στοιχεία για ένα επαναλαμβανόμενο σήμα. Η μαύρη τρύπα ή τρύπες υπάρχει μια εκτιμώμενη συνδυασμένη μάζα μεταξύ τριών δισεκατομμυρίων και 30 δισεκατομμυρίων φορές τη μάζα του ήλιου. "Αυτός ο υποψήφιος που παρουσιάζουμε βρίσκεται σε τόσο συμπαγή διαχωρισμό που στην πραγματικότητα βρίσκονται σε διαδικασία συγχώνευσης", λέει ο Suvi Gezari, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας του Liu και συν-συγγραφέας σε ένα έγγραφο που ανακοινώνει το εύρημα τους που έγινε αποδεκτό για δημοσίευση στο το The Astrophysical Journal Letters . Στην πραγματικότητα, ο επικείμενος αντίκτυπος θα φαίνεται να συμβεί ακόμη νωρίτερα για τις ίδιες τις μαύρες τρύπες. Στο πλαίσιο αναφοράς τους, πρόκειται να συγκλίνουν σε μόλις επτά χρόνια. Εξαιτίας ενός φαινομένου που ονομάζεται κοσμολογική διαστολή του χρόνου, λόγω της διαστολής του σύμπαντος, η συντριβή θα φαίνεται να συμβαίνει σε 21 χρόνια από τη δική μας οπτική γωνία στη Γη. «Ήταν μια τυχαία σύλληψη», λέει ο Stuart Shapiro, ένας θεωρητικός αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στην Ουρμπάνα-Σαμπέιν, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα. «Δεν γνωρίζουμε άλλον υποψήφιο που να είναι τόσο κοντά [στη συγχώνευση]». Αλλά, προσθέτει, «το παίρνω με λίγο αλάτι, και ακόμα κι αν δεν βγει, πιθανότατα υπάρχουν πολλά άλλα στον ορίζοντα».

Οι αστρονόμοι αναμένουν να βρουν περισσότερες δυαδικές μαύρες τρύπες με την άνοδο του Pan-STARRS1 και άλλων ερευνών σαν αυτό που μπορούν να παρακολουθούν τέτοια συστήματα με την πάροδο του χρόνου και να αναζητούν περιοδικές διακυμάνσεις φωτός. Ο Shapiro χρησιμοποιεί προσομοιώσεις υπολογιστή για να προβλέψει τι συμβαίνει όταν οι γιγάντιες μαύρες τρύπες συγχωνεύονται. Το να είναι σε θέση να παρατηρήσει κάποιον στο διάστημα θα πρόσφερε σε αυτόν και σε άλλους θεωρητικούς έναν πολύτιμο έλεγχο πραγματικότητας των υπολογισμών τους. «Όταν δύο μαύρες τρύπες πλησιάζουν αρκετά, νομίζουμε ότι βυθίζονται μεταξύ τους ξαφνικά και συγχωνεύονται», λέει ο Shapiro. «Αυτή η βουτιά και η συγχώνευση θα δημιουργήσουν μια έκρηξη βαρυτικών κυμάτων και αυτή η έκρηξη θα μειωθεί για λίγο καθώς το συγχωνευμένο υπόλειμμα χτυπάει κάτω, σαν ένα κουδούνι». Οι δονήσεις που μοιάζουν με καμπάνα θα πρέπει να εκπέμπουν σπείρες βαρυτικών κυμάτων, τα οποία είναι κυματισμοί που τεντώνουν και συρρικνώνουν το ύφασμα του χωροχρόνου.

Τέτοιοι κυματισμοί θα μπορούσαν να ανιχνευθούν στις λεγόμενες συστοιχίες χρονισμού πάλσαρ, οι οποίες χρησιμοποιούν περιστρεφόμενα αστέρια που ονομάζονται πάλσαρ ως φυσικά ρολόγια για να αναζητήσουν διαταραχές από βαρυτικά κύματα. Τα πάλσαρ περιστρέφονται πολύ τακτικά και σαρώνουν πίδακες φωτός σαν δέσμες φάρων. Εάν ένα βαρυτικό κύμα περνούσε από το διάστημα, το φως τους μπορεί να βγει εκτός προγράμματος. Συγκρίνοντας το χρονισμό πολλών πάλσαρ σε όλο τον κόσμο, οι αστρονόμοι μπορούσαν να προσδιορίσουν πότε και από πού προήλθε ένα βαρυτικό κύμα. «Αυτή τη στιγμή δεν έχουμε την ευαισθησία για να ανιχνεύσουμε αυτό το σύστημα [PSO J334.2028+01.4075], αλλά βρίσκουμε όλο και περισσότερα από αυτά μέσα από διάφορες έρευνες, επομένως αυτή είναι δυνητικά η κορυφή του παγόβουνου», λέει ο Xavier Siemens του Πανεπιστημίου του Ουισκόνσιν-Μιλγουόκι, ο οποίος ηγείται του έργου διάταξης χρονισμού πάλσαρ του Παρατηρητηρίου Νανοχερτζ της Βόρειας Αμερικής για τα Βαρυτικά Κύματα (NANOGrav). «Αυτό το σύστημα είναι δυνητικά κάτι που θα μπορούσαμε να ανιχνεύσουμε με ραδιοτηλεσκόπια επόμενης γενιάς», προσθέτει, «με πράγματα όπως η Συστοιχία Τετραγωνικών Χιλιόμετρων» που πρόκειται να ξεκινήσει γύρω στο 2025 στη Νότια Αφρική και την Αυστραλία.

Το αν το PSO J334.2028+01.4075 είναι πραγματικά μια δυαδική μαύρη τρύπα είναι ακόμα ένα ανοιχτό ερώτημα. Ο George Djorgovski, ένας αστρονόμος στο Caltech που πρόσφατα βρήκε ένα άλλο υποψήφιο κβάζαρ διπλής οπής, δεν είναι πεπεισμένος. «Είμαι δύσπιστος σχετικά με την ανάλυση και τους ισχυρισμούς τους», λέει. Η έρευνα Pan-STARRS1 παρατήρησε το εν λόγω σύστημα μόνο σε λίγες περιπτώσεις, επομένως η φαινομενική διακύμανση στο φως θα μπορούσε να αποδειχθεί τυχαία, προειδοποιεί. Επιπλέον, η πιθανότητα να βρεθεί ένα τόσο σπάνιο συμβάν σε ένα τόσο μικρό αρχικό μέγεθος δείγματος (316 κβάζαρ) είναι χαμηλή. "Οι πιθανότητες να πιάσουμε ένα ζευγάρι σε έναν τόσο στενό χωρισμό όπως ισχυρίζονται - που θα συγχωνευόταν μέσα σε αρκετά χρόνια - είναι πιθανώς πολύ λιγότερες από μία στο εκατομμύριο", προσθέτει. "Ο Liu et al θα έπρεπε να είναι πολύ, πολύ τυχερός."

Οι αστρονόμοι δεν πρέπει να περιμένουν πολύ για να το μάθουν. Η Liu και οι συνεργάτες της υπολόγισαν ότι το φως του κβάζαρ κυμαίνεται σε μια τακτική περίοδο περίπου 542 ημερών, πράγμα που σημαίνει ότι τα προσεχή δεδομένα θα πρέπει σύντομα είτε να επιβεβαιώσουν είτε να απορρίψουν το μοτίβο. «Είναι πολύ εύκολο να δοκιμάσεις την επιμονή αυτής της περιοδικής διακύμανσης στο μέλλον», λέει ο Gezari. «Και αν υπάρχουν δύο μαύρες τρύπες που αρχίζουν να περιστρέφονται η μία προς την άλλη, τότε η περίοδός τους θα πρέπει να γίνεται όλο και μικρότερη. Μπορούμε πραγματικά να αναζητήσουμε αυτή την αλλαγή ως συνάρτηση του χρόνου». Εάν το μοτίβο επιμείνει, οι αστρονόμοι μπορεί απλώς να πάρουν μια θέση στην πρώτη σειρά για ένα από τα πιο ακραία γεγονότα της φύσης.