Τι είναι η μαύρη τρύπα και πώς την ανακαλύψαμε;

Οι μαύρες τρύπες έχουν ξεφύγει από την αστροφυσική στην καθημερινή φαντασία. Ωστόσο, τα κενά στη γνώση μας για τη φύση τους, ακόμη και, ενδεχομένως, την ύπαρξή τους είναι σημαντικά.

Οι μαύρες τρύπες γεννήθηκαν από τη θεωρία και όχι από την παρατήρηση. Γνωρίζουμε για τα συμβατικά αστέρια για όσο καιρό μπορούσαμε να κοιτάξουμε ψηλά σε έναν καθαρό νυχτερινό ουρανό.

Αλλά κανείς δεν είδε ποτέ μαύρη τρύπα. Αντίθετα, προβλέφθηκε ότι υπήρχαν σε μια εποχή που δεν υπήρχε τρόπος να ελεγχθεί αν υπήρχε κάτι τέτοιο εκεί έξω. Και αυτή η πρόβλεψη δεν έγινε μία, αλλά δύο φορές.

Ποιος ήταν ο πρώτος άνθρωπος που μελέτησε τις μαύρες τρύπες;

Η πρώτη εμπνευσμένη σκέψη για το θέμα ήταν τον 18ο αιώνα. Ο άνθρωπος που ονειρεύτηκε αυτό που ονόμασε «σκοτεινά αστέρια» ήταν ο John Michell, ένας επιστήμονας του Cambridge που αργότερα έγινε κληρικός. Από την πρυτανεία του σκέφτηκε την ιδέα, συνδυάζοντας δύο βασικές ιδέες της τελευταίας επιστήμης εκείνης της εποχής.

Το ένα ήταν η ταχύτητα διαφυγής. Ο Μισέλ γνώριζε ότι όταν μια σφαίρα εκτοξεύεται κατευθείαν στον αέρα, έχει μόνο δύο δυνάμεις που δρουν πάνω της μόλις φύγει από το όπλο – αντίσταση αέρα και βαρύτητα.

Καθώς αυξάνεται, και οι δύο αυτές δυνάμεις εξασθενούν. Ο αέρας γίνεται πιο αραιός και, όπως είχε καταστήσει σαφές ο Νεύτωνας, η έλξη της βαρύτητας μειώνεται με το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ των κέντρων των εμπλεκόμενων σωμάτων – σε αυτήν την περίπτωση, της σφαίρας και της Γης.

Διαβάστε περισσότερα σχετικά με τις μαύρες τρύπες:

• Φωτός που φαίνεται από πιθανή σύγκρουση μαύρης τρύπας
• Το μυστηριώδες αντικείμενο μπορεί να είναι η μικρότερη μαύρη τρύπα που έχει βρεθεί ποτέ
• Οι ερευνητές επαληθεύουν τη «εξαιρετικά περίεργη» φυσική της μαύρης τρύπας

Μια τυπική σφαίρα από τα πυροβόλα όπλα μαύρης πυρίτιδας της εποχής του Michell μπορούσε να ταξιδέψει τόσο γρήγορα όσο 300 μέτρα το δευτερόλεπτο. Όμως, παρά αυτή την εντυπωσιακή ταχύτητα, οι δυνάμεις που ενεργούσαν για να την επιβραδύνουν έφεραν τη σφαίρα πίσω στη Γη.

Ο Μισέλ, όμως, γνώριζε ότι μια σφαίρα που ταξιδεύει περίπου 37 φορές πιο γρήγορα θα μπορούσε να ξεπεράσει την έλξη της Γης και να πετάξει στο διάστημα. Θα είχε επιτύχει ταχύτητα διαφυγής.

Συνδύασε αυτήν την ιδέα με μια ανακάλυψη από τη δεκαετία του 1670, όταν ο Δανός αστρονόμος Ole Rømer συνειδητοποίησε ότι μια φαινομενική διακύμανση στον χρόνο των φεγγαριών του Δία προκλήθηκε από τον ποικίλο χρόνο που χρειάστηκε το φως για να φτάσει σε εμάς από τον πλανήτη.

Από την αρχαιότητα, υπήρχαν διαφωνίες για το αν το φως ταξίδευε αμέσως ή απλώς εξαιρετικά γρήγορα.

Ο Rømer βρήκε στοιχεία για μια μετρήσιμη ταχύτητα, καθώς οι μεταβαλλόμενες σχετικές θέσεις του Δία και της Γης στις τροχιές τους διαφοροποιούσαν τον χρόνο που χρειαζόταν το φως για να φτάσει σε εμάς. Υπολόγισε την ταχύτητα του φωτός να είναι περίπου 220.000 km/s.

Στα επόμενα 100 χρόνια, αυτός ο αριθμός μετρήθηκε με μεγαλύτερη ακρίβεια, έτσι ώστε ο Michell να δούλευε με κάτι πιο κοντά στα σημερινά μας 300.000 km/s. Αλλά η συγκεκριμένη τιμή δεν είχε σημασία – το θέμα ήταν ότι το φως είχε ταχύτητα.

• Εγγραφή στο Science Focus Podcast σε αυτές τις υπηρεσίες:Acast, iTunes, Stitcher, RSS, Overcast

Συνδυάζοντας τις δύο έννοιες της ταχύτητας διαφυγής και του φωτός που έχει πεπερασμένη ταχύτητα, ο Michell αναρωτήθηκε τι θα συνέβαινε εάν ένα τεράστιο αστέρι είχε ταχύτητα διαφυγής που ήταν μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός. Όσο περισσότερη μάζα σε ένα σώμα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα διαφυγής του.

Επομένως, κατ' αρχήν, θα μπορούσε να υπάρχει ένα αστέρι τόσο μεγάλο που ακόμη και το φως δεν θα μπορούσε να ξεφύγει από αυτό. Ένα τέτοιο «σκοτεινό αστέρι» θα έπρεπε να είναι τεράστιο. Αν και η ταχύτητα διαφυγής από την επιφάνεια του Ήλιου, για παράδειγμα, είναι πάνω από 600 km/s, εξακολουθεί να είναι πολύ χαμηλότερη από την ταχύτητα του φωτός.

Η θεωρία του Michell βασίστηκε σε μια εσφαλμένη υπόθεση - ότι το φως αποτελείται από κανονικά σωματίδια που θα μπορούσαν να επιβραδυνθούν όπως κάθε άλλο βλήμα από τη δύναμη της βαρύτητας. Αλλά η ιδέα αυτών των μυστηριωδών «σκοτεινών αστεριών» έσβησε στην ιστορία.

Γρήγορα προς τα εμπρός στον 20ο αιώνα και ο Karl Schwarzschild αναβίωσε τις θεωρίες στη ζέστη και τη φρίκη του Πρώτου Παγκοσμίου Πολέμου. Ήταν 1915 και ο 41χρονος Γερμανός φυσικός είχε προσφερθεί εθελοντικά να ενταχθεί στον γερμανικό στρατό.

Κάπως, ίσως σαν απόσπαση της προσοχής από την καταστροφή γύρω του, βρήκε χρόνο να σκεφτεί τις κομψές εξισώσεις του Αϊνστάιν και την ολοκαίνουργια θεωρία της Γενικής Σχετικότητας.

Οι εξισώσεις του Αϊνστάιν είναι πολύ περίπλοκες για να δώσουν μια καθολική λύση, αλλά ο Schwarzschild τις έλυσε για την ειδική περίπτωση ενός σφαιρικού σώματος που δεν περιστρεφόταν.

Από τα μαθηματικά προέκυψε ότι αν όλη η μάζα αυτού του σώματος ήταν στριμωγμένη σε μια σφαίρα μεγέθους που τώρα ονομάζεται ακτίνα Schwarzschild, η παραμόρφωση στον χωροχρόνο θα ήταν τόσο μεγάλη που το φως από το αντικείμενο δεν θα διαφεύγει ποτέ. Οτιδήποτε πιο κοντά από μια σφαίρα γύρω από το σώμα αυτής της ακτίνας θα ταξίδευε μέσα από μια επιφάνεια χωρίς επιστροφή, τον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας.

Η πιο προφανής πηγή ενός τέτοιου σώματος θα ήταν ένα αστέρι που καταρρέει. Σε κανονική λειτουργία, οι πυρηνικές αντιδράσεις ενός αστεριού το φουσκώνουν ενάντια στην έλξη της βαρύτητας. Αλλά μόλις αυτές οι αντιδράσεις αρχίσουν να εξασθενούν, η ύλη στο αστέρι μπορεί να καταρρεύσει.

Η προσδοκία είναι ότι αυτή η κατάρρευση θα σταματήσει από ένα κβαντικό φαινόμενο που ονομάζεται αρχή αποκλεισμού Pauli, σχηματίζοντας ένα έντονα πυκνό αστέρι νετρονίων. Αν το άστρο είχε αρκετά μεγάλη μάζα, ωστόσο, υπερβαίνοντας περίπου την τριπλάσια μάζα του Ήλιου, η αρχή του αποκλεισμού θα έπρεπε να ξεπεραστεί και η κατάρρευση θα ήταν ασταμάτητη.

Κατ 'αρχήν, το υλικό στη μαύρη τρύπα θα συνέχιζε να καταρρέει σε όλη τη διαδρομή προς ένα αδιάστατο σημείο - μια «μοναδικότητα» με άπειρη πυκνότητα και μια δύναμη βαρύτητας που κατευθυνόταν στο άπειρο καθώς την πλησίαζαν.

Στην πραγματικότητα, δεν ξέρουμε τι θα συνέβαινε στην πραγματικότητα, γιατί η μοναδικότητα είναι μια παραδοχή ότι η φυσική μας έχει καταρρεύσει.

Πώς βλέπετε μια μαύρη τρύπα;

Για ένα καλό διάστημα μετά τον Schwarzschild, οι μαύρες τρύπες ήταν καθαρά θεωρητικές. Ή τουλάχιστον ήταν τα αστέρια που κατέρρευσαν, καθώς δεν είχαν λάβει ακόμη το πιο ενδιαφέρον παρατσούκλι τους. Η «μαύρη τρύπα» αποδίδεται συχνά στον Αμερικανό φυσικό John Wheeler, αλλά η προέλευσή της καλύπτεται από μυστήριο.

Ο όρος αναφέρθηκε για πρώτη φορά σε μια συνάντηση της Αμερικανικής Ένωσης για την Προώθηση της Επιστήμης τον Ιανουάριο του 1964. Δεν είναι σίγουρο ποιος τον χρησιμοποίησε, αλλά ο Wheeler σύντομα χρησιμοποίησε τον όρο και τον έκανε δημοφιλή. Μπορεί να φαίνεται ότι η αναζήτηση για μαύρες τρύπες θα ήταν χάσιμο χρόνου.

Πώς βλέπετε κάτι που δεν εκπέμπει φως; Αλλά καθώς αναπτύχθηκε η φυσική των μαύρων τρυπών, οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι ήταν διαθέσιμες έμμεσες διαδρομές.

Καθώς οι αστρονόμοι δεν μπορούν να δουν την ίδια την τρύπα, πρέπει να αναζητήσουν τις παρενέργειές της. Όταν η ύλη σύρεται σε μια περιστρεφόμενη τρύπα, και πολύ καλά όλα στο Σύμπαν περιστρέφονται, θα πρέπει να παράγει έναν «δισκό προσαύξησης», που θα λάμπει έντονα ως αποτέλεσμα της τριβής και θα δημιουργούσε επίσης διακριτικούς «πίδακες» από τους πόλους. P>

Στη συνέχεια, υπάρχουν τα βαρυτικά φαινόμενα. Μπορεί να δούμε κοντινά σώματα επηρεασμένα από τη μαύρη τρύπα. Αυτή είναι μια αξιοσέβαστη τεχνική και χρησιμοποιήθηκε στο παρελθόν για να συμπεράνει την ύπαρξη του Ποσειδώνα. Οι αστρονόμοι μελέτησαν τον τρόπο με τον οποίο οι τροχιές των άλλων πλανητών επηρεάστηκαν από τη βαρυτική έλξη του Ποσειδώνα.

Μπορεί επίσης να σας αρέσει:

• Σκοτεινή ενέργεια κρύβεται στο Σύμπαν μας – εδώ θα τη βρούμε
• Τα εννέα πιο μυστηριώδη αντικείμενα στο Σύμπαν

Τέλος, υπάρχει η «ακτινοβολία Χόκινγκ». Ο Stephen Hawking εξέπληξε τον εαυτό του όσο οποιοσδήποτε άλλος όταν το 1974 συνειδητοποίησε ότι οι μαύρες τρύπες δεν θα μπορούσαν να είναι πραγματικά μαύρες.

Η ιδέα προήλθε από την κατανόησή του για την κβαντική φυσική - την επιστήμη που διέπει τα πολύ μικρά πράγματα - και ειδικότερα την «αρχή της αβεβαιότητας». Αυτό έλεγε ότι η εντοπισμένη ενέργεια μπορεί να αυξομειωθεί σημαντικά σε μικρές χρονικές περιόδους, επιτρέποντας σε ζεύγη κβαντικών σωματιδίων να αναδυθούν και στη συνέχεια να εξαφανιστούν ξανά προτού παρατηρηθούν.

Εάν αυτό συμβεί κοντά στον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας, ένα από αυτά τα «εικονικά» σωματίδια θα μπορούσε να τραβηχτεί μέσα ενώ το άλλο πετάει μακριά. Αυτά τα αδέσποτα σωματίδια συνθέτουν την ακτινοβολία Hawking. Αυτό είναι απίθανο να ανιχνευθεί σε μεγάλη απόσταση.

Μετά τη λύση του Schwarzschild, οι μαύρες τρύπες φαινόταν το φυσικό τέλος για το σωστό είδος αστεριών με μάζα τουλάχιστον τρεις φορές μεγαλύτερη από αυτή του Ήλιου. Αλλά αυτή η συγκεκριμένη κλίμακα δεν είναι περιορισμός της ίδιας της μαύρης τρύπας, απλώς ο μηχανισμός σχηματισμού.

Κατ' αρχήν, οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να υπάρχουν σε οποιαδήποτε κλίμακα από τη μικροσκοπική μέχρι τη μάζα εκατομμυρίων φορές τη μάζα του Ήλιου. Υπάρχουν σε γενικές γραμμές τέσσερις κατηγορίες, δύο από τις οποίες έχουν πιθανώς εντοπιστεί.

Στο μικροσκοπικό, εντελώς υποθετικό άκρο της κλίμακας βρίσκονται οι μικρομαύρες τρύπες και οι κβαντικές μαύρες τρύπες. Μια μικρομαύρη τρύπα θα σχηματιζόταν, για παράδειγμα, εάν η Γη κατέρρεε, σχηματίζοντας έναν ορίζοντα γεγονότων διαμέτρου περίπου 9 mm, αν και ευτυχώς δεν υπάρχει γνωστός μηχανισμός για να συμβεί αυτό.

Οι κβαντικές μαύρες τρύπες είναι ακόμη μικρότερες, από μια κλίμακα περίπου 5.000 πρωτονίων. Κατ 'αρχήν, θα μπορούσαν να παραχθούν σε έναν επιταχυντή σωματιδίων και θα αποσυντεθούν σχεδόν αμέσως.

Οι τρέχοντες επιταχυντές δεν έχουν την ενέργεια να παράγουν έναν χωρίς βοήθεια, αλλά εάν το Σύμπαν έχει επιπλέον διαστάσεις, αυτό θα μπορούσε να μειώσει το ενεργειακό όριο σε κάτι προσβάσιμο.

Τα καλύτερα στοιχεία που έχουμε για τις συμβατικές μαύρες τρύπες, που σχηματίζονται από την κατάρρευση ενός αστεριού που πεθαίνει, είναι τα δυαδικά ακτίνων Χ.

Σε αυτά τα αντικείμενα, το υλικό επιταχύνεται από ένα κανονικό αστέρι σε ένα αόρατο αστέρι, εκπέμποντας ακτίνες Χ. Αυτό μπορεί να συμβεί με ένα αστέρι νετρονίων, αλλά αν το αστέρι που «τρώει» έχει περισσότερο από τρεις φορές τη μάζα του Ήλιου, θεωρητικά θα πρέπει να είναι μια μαύρη τρύπα.

Το πρώτο δυαδικό ακτίνων Χ που αναγνωρίστηκε ευρέως ότι περιέχει μια μαύρη τρύπα ήταν το Cygnus X-1. Μια ισχυρή πηγή ακτίνων Χ εντοπίστηκε το 1964 και αναγνωρίστηκε ως υποψήφια για μαύρη τρύπα το 1971.

Ένα μπλε υπεργίγαντα αστέρι στο δυαδικό σύστημα απογυμνωνόταν από υλικό από την πηγή ακτίνων Χ, η οποία φαινόταν να έχει μάζα 9 έως 15 φορές μεγαλύτερη από αυτή του Ήλιου.

Το 1975, ο Kip Thorne και ο Stephen Hawking έβαλαν στοίχημα για το αν αυτή ήταν, όντως, μια μαύρη τρύπα. Ο Χόκινγκ, από την πλευρά του «όχι», πλήρωσε το 1990 όταν ελήφθησαν καλύτερα δεδομένα παρατήρησης.

Επιστροφή στα βασικά της μαύρης τρύπας

Από το 1990, η ταυτοποίηση του Cygnus X-1 έχει γίνει λιγότερο βέβαιη. Αυτό συμβαίνει επειδή το αστέρι συνοδός είναι πολύ μεγάλο, γεγονός που καθιστά δύσκολο να είμαστε σίγουροι για τη μάζα του συνοδού του «συμπαγούς αντικειμένου».

Πολλοί άλλοι υποψήφιοι έχουν εντοπιστεί έκτοτε, αν και τα στοιχεία παραμένουν έμμεσα και βασίζονται σε θεωρητικές υποθέσεις σχετικά με το μέγιστο μέγεθος ενός αστέρα νετρονίων που μπορεί να μην επιβεβαιωθεί στην πράξη.

Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες πιστεύεται ότι υπάρχουν στην καρδιά των περισσότερων γαλαξιών, οι οποίες πιθανώς σχηματίζονται από την κατάρρευση ενός πυκνού νέφους αερίου στην πρώιμη ζωή του γαλαξία.

Τέτοιες μαύρες τρύπες μπορεί να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό των γαλαξιών, δίνοντας στον γαλαξία έναν κόμβο για να συνενωθεί γύρω. Υποψήφιοι έχουν εντοπιστεί σε πολλά γαλαξιακά κέντρα, χάρη στις ασυνήθιστα υψηλές ηλεκτρομαγνητικές εκπομπές από αυτές τις περιοχές και στην περίεργη κίνηση των κοντινών αστεριών.

Ένα αστέρι που ονομάζεται S2 περιφέρεται γύρω από το κέντρο του Γαλαξία σε περίπου τέσσερις φορές την ακτίνα της τροχιάς του Ποσειδώνα.

Από την πορεία του S2, φαίνεται πιθανό ότι περιστρέφεται γύρω από κάτι με μάζα περίπου 4,3 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από αυτή του Ήλιου. Το αντικείμενο ταιριάζει με τη θέση μιας έντονης ραδιοφωνικής πηγής που ονομάζεται Τοξότης Α* και προς το παρόν δεν υπάρχει άλλη εξήγηση για αυτό εκτός από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα.

Αλλού, η αστρική καταστροφή δίνει μια ένδειξη. Οι ασυνήθιστα φωτεινές υπογραφές σε μακρινούς γαλαξίες πιστεύεται ότι είναι αστέρια που διασπώνται από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.

Δεν είναι όλα σίγουρα όμως. Μια μελέτη του 2014 έδειξε ότι οι μαύρες τρύπες δεν θα σχηματιστούν καθόλου. Οι συγγραφείς προτείνουν ότι καθώς ένα αστέρι καταρρέει, η ακτινοβολία Hawking κατά τη διάρκεια της κατάρρευσης θα μείωνε τη μάζα του άστρου αρκετά ώστε η μαύρη τρύπα να μην φτάσει ποτέ στην ολοκλήρωση.

Θα υπήρχε ένα εξαιρετικά πυκνό σώμα που θα λειτουργούσε σαν μαύρη τρύπα, αλλά χωρίς τη μοναδικότητα ή τον ορίζοντα γεγονότων.

Η εργασία δεν είναι καθολικά αποδεκτή, αλλά δείχνει πώς η κατανόησή μας για τις μαύρες τρύπες βασίζεται κυρίως στη θεωρία. Όποια και αν είναι η πραγματικότητα, μπορούμε να περιμένουμε περισσότερες εκπλήξεις.

Βασικοί όροι

Δίσκος προσαύξησης - Η περιστρεφόμενη ύλη έλκεται σε σχήμα δίσκου από ένα αστέρι (μέρος της διαδικασίας σχηματισμού ενός ηλιακού συστήματος). Στην περίπτωση των μαύρων οπών, η κοντινή ύλη επιταχύνεται έντονα από τη βαρύτητα, δίνοντας μια φωτεινή λάμψη.

Jet -  Ρεύματα ύλης που επιταχύνονται σχεδόν στην ταχύτητα του φωτός εκπέμπονται σε ορθή γωνία προς τον δίσκο προσαύξησης. Η αιτία αυτών των πίδακες είναι αβέβαιη, αν και μπορεί να είναι το αποτέλεσμα ενός πολύπλοκου μαγνητικού πεδίου.

Αρχή αποκλεισμού Pauli - Αυτή η αρχή της κβαντικής μηχανικής καθιερώνει ότι δύο φερμιόνια (ένας τύπος υποατομικού σωματιδίου) δεν μπορούν να βρίσκονται σε ίδια κβαντική κατάσταση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την «αλληλεπίδραση ανταλλαγής», η οποία είναι σαν μια δύναμη μικρής εμβέλειας που κρατά τα φερμιόνια  χώρια – εκτός από ακραίες συνθήκες όπως ο σχηματισμός μαύρης τρύπας.

Ιδιομορφία -  Στην περίπτωση της αστροφυσικής, η μοναδικότητα είναι μια μαθηματικά προβλεπόμενη συνθήκη όπου ο χωροχρόνος παραμορφώνεται τόσο τοπικά από τη βαρύτητα που η δύναμη της βαρύτητας τείνει στο άπειρο και οι τρέχουσες θεωρίες της φυσικής καταρρέουν.