Βραβείο Νόμπελ Φυσικής για ανακαλύψεις στη Μαύρη Τρύπα

Οι μαύρες τρύπες ήρθαν πρόσφατα στο φως. Πέρυσι, ένα παγκόσμιο δίκτυο τηλεσκοπίων έβλεπε τη σιλουέτα μιας υπερμεγέθους μαύρης τρύπας στο κέντρο ενός γειτονικού γαλαξία. Οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων πλέον αντιλαμβάνονται τακτικά τους δονητές από αόρατες, μακρινές συγκρούσεις μαύρης τρύπας.

Το φετινό βραβείο Νόμπελ Φυσικής απονεμήθηκε για παλαιότερες εργασίες που έμμεσα καθιέρωσαν την ύπαρξη μαύρων τρυπών. Ο Άγγλος μαθηματικός φυσικός Ρότζερ Πένροουζ κέρδισε το μισό βραβείο για την εργασία του το 1965 που έδειχνε ότι «ο σχηματισμός μαύρης τρύπας είναι μια ισχυρή πρόβλεψη της γενικής θεωρίας της σχετικότητας», σύμφωνα με την επιτροπή Νόμπελ. Το άλλο μισό μοιράστηκαν οι αντίπαλοι αστροφυσικοί Reinhard Genzel και Andrea Ghez, οι οποίοι έκαναν πρωτοποριακές παρατηρήσεις άστρων που περιφέρονται γύρω από το κέντρο του Γαλαξία μας, οι οποίες πρότειναν ότι ένα υπερμεγέθη, αόρατο, συμπαγές αντικείμενο πρέπει να κατοικεί εκεί.

«Το πρώτο πράγμα είναι η αμφιβολία», είπε η Ghez σήμερα το πρωί, όταν ρωτήθηκε τι πέρασε από το μυαλό της όταν έκανε τις κρίσιμες παρατηρήσεις στις αρχές της δεκαετίας του 2000 που αποκάλυψαν την παρουσία μιας μαύρης τρύπας στο κέντρο του Γαλαξία. «Τόσο αμφιβολία όσο και ενθουσιασμός. Αυτή η αίσθηση του να βρίσκεσαι στα όρια της έρευνας όπου πρέπει πάντα να αμφισβητείς αυτό που βλέπεις.»

Δύο δεκαετίες αργότερα, δεν υπάρχει καμία αμφιβολία για τις μαύρες τρύπες και τον κρίσιμο ρόλο τους στον κόσμο.

Τι είναι οι μαύρες τρύπες;

Οι μαύρες τρύπες είναι περιοχές που περιέχουν τόση ύλη συσσωρευμένη σε τόσο μικρό χώρο που η βαρύτητα έχει ένα φαινόμενο φυγής:Η ύλη καταρρέει προς ένα κεντρικό σημείο τεράστιας πυκνότητας, που ονομάζεται ιδιομορφία. Τα πάντα σε μια ορισμένη απόσταση από τη μοναδικότητα παγιδεύονται βαρυτικά, προορισμένα να πέφτουν προς τα μέσα. Ακόμη και το φως που περνά μέσα από τη σφαιρική επιφάνεια της μαύρης τρύπας χωρίς επιστροφή, που ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων, απορροφάται, γεγονός που κάνει τις μαύρες τρύπες αόρατες.

Ένας συνηθισμένος τρόπος οπτικοποίησης μιας μαύρης τρύπας είναι σαν ένα δισδιάστατο φύλλο που τεντώνεται σε μια χοάνη. Πηγαίνετε πολύ κάτω και θα βρείτε τον εαυτό σας ανίκανο να αναρριχηθεί. Προσπαθήστε όμως να απεικονίσετε τη χοάνη σε τρεις διαστάσεις, όπου το υλικό πέφτει προς τα μέσα από κάθε κατεύθυνση προς ένα κεντρικό σημείο.

Κατά κάποιο τρόπο, οι μαύρες τρύπες είναι απίστευτα απλές. Λέγεται ότι «δεν έχουν τρίχες», που σημαίνει ότι όλα τα διακριτικά χαρακτηριστικά φαίνονται να ξεπλένονται όταν σχηματίζονται. Κάθε ένα μπορεί να χαρακτηριστεί μόνο από τη μάζα του, το ηλεκτρικό του φορτίο και τη γωνιακή του ορμή — κάνοντάς το μάλλον σαν στοιχειώδη σωματίδια.

Αλλά παρόλο που φαίνονται απλές από έξω, οι μαύρες τρύπες είναι βαθιά μυστηριώδεις εσωτερικά. Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν προβλέπει ότι η καμπυλότητα του χωροχρόνου γίνεται άπειρη σε μια ιδιομορφία μαύρης τρύπας, αλλά αυτό δεν είναι φυσικά δυνατό. Αυτά τα αντικείμενα δείχνουν ότι η θεωρία πρέπει να είναι ελλιπής. Οι φυσικοί πιστεύουν ότι θα πρέπει να βρουν μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας για να κατανοήσουν τις ιδιομορφίες της μαύρης τρύπας.

Πώς σχηματίζονται οι μαύρες τρύπες;

Οι μαύρες τρύπες σχηματίζονται όταν η ύλη ή η ενέργεια συσσωρεύονται αρκετά πυκνά. Πόσο πυκνά; Για να σχηματιστεί μια μαύρη τρύπα, η Γη θα πρέπει να συρρικνωθεί σε μια σφαίρα μικρότερη από μια μπάλα του πινγκ πονγκ.

Αν και τέτοιες μικροσκοπικές μαύρες τρύπες μπορεί να έχουν σχηματιστεί κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης (πρόκειται για υποθετικές οντότητες γνωστές ως «αρχέγονες μαύρες τρύπες», οι οποίες μπορεί να περιλαμβάνουν τη σκοτεινή ύλη που λείπει από το σύμπαν), αυτές που παρατηρούνται στο σύμπαν σήμερα είναι μεγαλύτερες. Τυπικά σχηματίζονται όταν τα αστέρια έχουν τουλάχιστον 10 φορές μεγαλύτερη μάζα από τον ήλιο χωρίς καύσιμα. Καθώς η πίεση της εξωτερικής ακτινοβολίας δεν είναι πλέον ικανή να εξουδετερώσει την εσωτερική έλξη της βαρύτητας, ο πυρήνας του άστρου καταρρέει προς τα μέσα — ένα γεγονός που συνήθως συνοδεύεται από μια δραματική έκρηξη που ονομάζεται σουπερνόβα.

Λιγότερη βεβαιότητα περιβάλλει το σχηματισμό υπερμεγέθων μαύρων τρυπών, όπως η μαύρη τρύπα 4 εκατομμυρίων ηλιακής μάζας που ονομάζεται Τοξότης Α* [προφέρεται Α-άστρο] που μελέτησαν οι Reinhard Genzel, Andrea Ghez και οι ομάδες τους στο κέντρο του Γαλαξία. Αυτά τα μεγαθήρια σχηματίστηκαν πιθανώς μέσα στα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια του σύμπαντος, καθώς οι γαλαξίες σχηματίστηκαν γύρω τους. Αλλά αν ξεκίνησαν ως αστέρια που βαρυτικά κατέρρευσαν σε μαύρες τρύπες και στη συνέχεια αναπτύχθηκαν αστρονομικά ή σχηματίστηκαν από την άμεση κατάρρευση τεράστιων θυλάκων πλάσματος - ή με κάποιον άλλο τρόπο - παραμένει ένα ανοιχτό ερώτημα. Τα επόμενα χρόνια, οι παρατηρήσεις του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb σε πολύ μακρινούς και πολύ νέους γαλαξίες θα μπορούσαν να λύσουν το παζλ.

Τι κατάλαβε ο Roger Penrose για τις μαύρες τρύπες;

Ο Ρότζερ Πένροουζ έκανε τη σημαντική συμβολή του το 1965, λίγο μετά την ανακάλυψη υπερφωτιστών αντικειμένων που ονομάζονται κβάζαρ. Αυτά τα αντικείμενα ήταν τόσο φωτεινά που οι ερευνητές υπέθεσαν ότι μπορεί να ήταν η λάμψη υλικού που πέφτει σε εξαιρετικά συμπαγή, υπερμεγέθη αντικείμενα. Αυτό ανανέωσε το ενδιαφέρον για το ερώτημα εδώ και δεκαετίες εάν οι μαύρες τρύπες ήταν απλώς ένα μαθηματικό τεχνούργημα της θεωρίας του Αϊνστάιν ή εάν όντως σχηματίζονται στο σύμπαν.

Ο Penrose έδειξε ότι μπορούν. Μάλιστα, έδειξε ότι αναπόφευκτα το κάνουν.

Μέχρι τότε, οι ερευνητές είχαν δεθεί σε κόμπους προσπαθώντας να καταλάβουν αν αντικείμενα όπως η «λύση Schwarzschild» των εξισώσεων του Einstein - το απλούστερο είδος μαύρης τρύπας, που επεξεργάστηκε σε χαρτί από τον Karl Schwarzschild το 1916 - ήταν πραγματικά δυνατά στη φύση. Τέτοιες θεωρητικές λύσεις είχαν μελετηθεί μόνο με την απλουστευτική υπόθεση ότι το υλικό που προκαλεί τη βαρυτική κατάρρευση είναι μια τέλεια σφαίρα. Το ερώτημα ήταν αν η προκύπτουσα ιδιομορφία ήταν απλώς ένα τεχνούργημα αυτής της τέλειας σφαιρικής συμμετρίας — κάτι δυνατό στο χαρτί, αλλά παράλογο στη φύση.

Ο Penrose έδειξε ότι, όπως το έθεσε στην εργασία του το 1965, «οι αποκλίσεις από τη σφαιρική συμμετρία δεν μπορούν να εμποδίσουν την εμφάνιση χωροχρονικών ιδιομορφιών». Με άλλα λόγια, ακόμη και όταν ένα αστέρι παραμορφώνεται, θα εξακολουθεί να καταρρέει σε ένα σημείο. Αυτό το έδειξε εισάγοντας την έννοια της «παγιδευμένης επιφάνειας», καθώς και ένα διάσημο πλέον διαγραμματικό σχήμα για την ανάλυση του τρόπου με τον οποίο η επιφάνεια κάθεται μέσα στο χωροχρόνο. Σε αντίθεση με μια κανονική επιφάνεια, η οποία μπορεί να έχει ακτίνες φωτός που εκτοξεύονται μακριά από αυτήν προς οποιαδήποτε κατεύθυνση, μια παγιδευμένη επιφάνεια είναι μια κλειστή δισδιάστατη επιφάνεια που —ακόμα και όταν είναι παραμορφωμένη ώστε να μην είναι πλέον σφαίρα— επιτρέπει στις ακτίνες φωτός να πάνε μόνο προς μία κατεύθυνση:προς το κεντρικό σημείο.

Ο Penrose διαπίστωσε ότι οι διαστάσεις του χώρου και του χρόνου αλλάζουν ρόλους μέσα σε μια παγιδευμένη επιφάνεια. Ο χρόνος είναι η κατεύθυνση που δείχνει προς το κέντρο, έτσι ώστε η διαφυγή από μια μαύρη τρύπα είναι τόσο αδύνατη όσο και η επιστροφή στο χρόνο. Ο Penrose, μαζί με τον Stephen Hawking, έδειξαν σύντομα ότι μια παρόμοια ανάλυση ισχύει για ολόκληρο το σύμπαν:Μια μοναδικότητα θα υπήρχε αναπόφευκτα όταν η ύλη και η ενέργεια ήταν πυκνά συσσωρευμένα μαζί στη Μεγάλη Έκρηξη.

Πώς παρατηρούμε τις μαύρες τρύπες;

Ανιχνεύουμε την αόρατη παρουσία τους με διάφορους τρόπους. Οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων ανιχνεύουν τις συγκρούσεις μαύρης τρύπας μετρώντας την προκύπτουσα έκταση και συμπίεση του χωροχρόνου. Το τηλεσκόπιο Event Horizon χρησιμοποιεί ένα παγκόσμιο δίκτυο τηλεσκοπίων για να δει, σε εκπληκτικά υψηλή ανάλυση, τον φωτεινό δακτύλιο φωτός ακριβώς έξω από τον ορίζοντα γεγονότων μιας υπερμεγέθους μαύρης τρύπας. Αλλά τέτοιες άμεσες παρατηρήσεις έγιναν μόνο τα τελευταία πέντε χρόνια.

Ξεκινώντας από τη δεκαετία του 1960, οι αστρονόμοι άρχισαν να παρατηρούν την τεράστια ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται από τα μακρινά αντικείμενα που ονομάζονται κβάζαρ. Οι ερευνητές υποψιάστηκαν ότι τα κβάζαρ ήταν στην πραγματικότητα υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που τραβούσαν τεράστιες ποσότητες αερίου και σκόνης. Περίπου την ίδια εποχή, τα τηλεσκόπια εντόπισαν ακτίνες Χ που προέρχονται από αστέρια που δεν θα έπρεπε να ήταν σε θέση να παράγουν την ακτινοβολία από μόνα τους. Οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι αόρατες μαύρες τρύπες πρέπει να ρουφούν την ύλη των αστεριών και να παράγουν το φως.

Όσο για τη μαύρη τρύπα στο κέντρο του Γαλαξία μας, ο πρώτος υπαινιγμός της παρουσίας της εντοπίστηκε το 1931, όταν ο πρωτοπόρος ραδιοαστρονόμος Karl Jansky παρατήρησε ένα ραδιοφωνικό σήμα που προερχόταν από την κατεύθυνση του αστερισμού του Τοξότη. Στη συνέχεια, το 1974, οι αστρονόμοι του ραδιοφώνου Bruce Balick και Robert Brown εντόπισαν το φωτεινό και συμπαγές αντικείμενο στο γαλαξιακό κέντρο που έγινε γνωστό ως Τοξότης A*. Περαιτέρω παρατηρήσεις στη δεκαετία του 1990 έδωσαν περισσότερα στοιχεία για την παρουσία υπερβαρέων αντικειμένων στα γαλαξιακά κέντρα, αλλά απαιτούνταν καλύτερη τεχνολογία και έξυπνες νέες στρατηγικές παρατήρησης προτού οι αστρονόμοι μπορέσουν να δείξουν οριστικά ότι αυτές οι κεντρικές άγκυρες ήταν υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.

Πώς απέδειξαν ο Genzel και ο Ghez ότι ο Τοξότης A* είναι μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα;

Παρακολούθησαν τις κινήσεις των αστεριών που αιωρούνται πολύ κοντά. Εάν ο Τοξότης Α* ήταν ένα εκτεταμένο σμήνος υλικού, τότε τα αστέρια που θα περνούσαν από μέσα θα έλκονταν από πολλές κατευθύνσεις και οι τροχιές τους που θα προέκυπταν θα ήταν ασήμαντες. Αλλά αν επρόκειτο για μια συμπαγή υπερμεγέθη μαύρη τρύπα, τότε τα αστέρια θα πρέπει να περνούν με υψηλές ταχύτητες.

Τα τηλεσκόπια δεν διέθεταν την απαραίτητη χωρική ανάλυση για την παρακολούθηση αυτών των τροχιών με αρκετή ακρίβεια μέχρι να εμφανιστούν οι Ghez και Genzel στη δεκαετία του 1990. Και οι δύο ομάδες τους πρωτοστάτησαν σε προσεγγίσεις για να αφαιρέσουν το θάμπωμα της ατμόσφαιρας της Γης. Η πρώτη τεχνική - που ονομάζεται speckle imaging - περιελάμβανε το συνδυασμό πολλαπλών σύντομων εκθέσεων, η καθεμία αρκετά σύντομη ώστε να αποφευχθεί η εκτεταμένη ατμοσφαιρική παραμόρφωση. Στη συνέχεια, μια πιο προηγμένη προσέγγιση που ονομάζεται προσαρμοστική οπτική επέτρεψε ακόμη πιο λεπτομερείς παρατηρήσεις. Στην προσαρμοστική οπτική, ένα λέιζερ εκπέμπεται στον νυχτερινό ουρανό, δημιουργώντας ένα «τεχνητό αστέρι» που απεικονίζεται ταυτόχρονα από το τηλεσκόπιο. (Η ομάδα του Ghez χρησιμοποίησε το Παρατηρητήριο Keck στη Χαβάη και ο Genzel συνεργάστηκε με το Very Large Telescope στη Χιλή.) Το τεχνητό αστέρι αποκαλύπτει ακριβώς πώς η ατμόσφαιρα παραμορφώνει την εικόνα. Ένας αλγόριθμος ανακαλύπτει πώς να εξουδετερώσει αυτά τα αποτελέσματα και οι μικροί ενεργοποιητές παραμορφώνουν στη συνέχεια το σχήμα του καθρέφτη του τηλεσκοπίου για να αφαιρέσουν τις παραμορφώσεις σε πραγματικό χρόνο.

Και οι δύο ομάδες συμμετείχαν σε ένα συγκεκριμένο αστέρι που ονομάζεται S2, του οποίου η τροχιά πέρασε σε απόσταση αναπνοής από τον Τοξότη Α*. Στις αρχές της δεκαετίας του 2000, η ​​τροχιά του S2, μαζί με αυτή πολλών άλλων κοντινών άστρων, έδειξε ότι ο Τοξότης Α* μετρά λιγότερο από 125 φορές την απόσταση μεταξύ Γης και Ήλιου, παρόλο που περιέχει 4 εκατομμύρια ηλιακές μάζες. Θα μπορούσε να είναι μόνο μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα.