Πώς ανακαλύφθηκαν οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες
Αυτό το δοκίμιο είναι ένας από τους πέντε νικητές στον διαγωνισμό συγγραφής του 2019 που πραγματοποιήθηκε από την πρωτοβουλία Black Hole Initiative στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. «Η Πρωτοβουλία Μαύρων Τρυπών προσφέρει ένα μοναδικό περιβάλλον για να σκεφτόμαστε το θέμα των μαύρων τρυπών πιο δημιουργικά και ολοκληρωμένα», λέει ο διευθυντής του BHI, Avi Loeb. Για να προσθέσετε το πλαίσιο στη συναρπαστική ανακοίνωση της 10ης Απριλίου ότι οι αστρονόμοι παρατήρησαν μια μαύρη τρύπα για πρώτη φορά, αυτή την εβδομάδα Το Nautilus εμφανίζει και τα πέντε δοκίμια που κέρδισαν.
Στη δεκαετία του 1700, ο John Michell στην Αγγλία και ο Pierre-Simon Laplace στη Γαλλία σκέφτηκαν ανεξάρτητα «την έξοδο από το κουτί» και φαντάζονταν τι θα συνέβαινε αν μια τεράστια μάζα τοποθετούνταν σε έναν απίστευτα μικρό όγκο. Ωθώντας αυτό το πείραμα σκέψης στα άκρα, υπέθεσαν ότι οι βαρυτικές δυνάμεις μπορεί να μην επιτρέψουν σε τίποτα, ακόμη και στο φως, να διαφύγει. Ο Michell και ο Laplace φαντάζονταν αυτό που σήμερα ονομάζουμε μαύρη τρύπα.
Οι αστρονόμοι είναι πλέον πεπεισμένοι ότι όταν τα τεράστια αστέρια καίγονται μέσω του πυρηνικού τους καυσίμου, καταρρέουν σχεδόν στο τίποτα και σχηματίζουν μια μαύρη τρύπα. Ενώ η ιδέα ενός αστεριού που καταρρέει σε μια μαύρη τρύπα είναι εκπληκτική, η πιθανότητα ότι υλικό από εκατομμύρια, ακόμη και δισεκατομμύρια αστέρια μπορεί να συμπυκνωθεί σε μια ενιαία υπερμεγέθη μαύρη τρύπα είναι ακόμα πιο φανταστική. Ωστόσο, οι αστρονόμοι είναι πλέον βέβαιοι ότι υπάρχουν υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες και βρίσκονται στα κέντρα των περισσότερων από τα 100 δισεκατομμύρια γαλαξίες στο σύμπαν.
Πώς καταλήξαμε σε αυτό το εκπληκτικό συμπέρασμα; Η ιστορία ξεκινά στα μέσα της δεκαετίας του 1900, όταν οι αστρονόμοι επέκτειναν τους ορίζοντές τους πέρα από το πολύ στενό εύρος μηκών κύματος στο οποίο είναι ευαίσθητα τα μάτια μας. Ανακαλύφθηκαν πολύ ισχυρές πηγές ραδιοκυμάτων και, όταν καθορίστηκαν ακριβείς θέσεις, βρέθηκαν πολλές να επικεντρώνονται σε μακρινούς γαλαξίες. Λίγο αργότερα, οι κεραίες ραδιοφώνου συνδέθηκαν μεταξύ τους για να βελτιώσουν σημαντικά τη γωνιακή ανάλυση. Αυτά τα νέα «συμβολόμετρα» αποκάλυψαν μια εντελώς απροσδόκητη εικόνα της ραδιοεκπομπής από τους γαλαξίες - τα ραδιοκύματα δεν φαινόταν να προέρχονται από τον ίδιο τον γαλαξία, αλλά από δύο τεράστιους «λοβούς» συμμετρικά τοποθετημένους γύρω από τον γαλαξία. Το Σχήμα 1 δείχνει ένα παράδειγμα ενός τέτοιου «ραδιογαλαξία», που ονομάζεται Cygnus A. Οι λοβοί του ραδιοφώνου μπορεί να είναι από τις μεγαλύτερες δομές στο σύμπαν, εκατό φορές μεγαλύτερο από το μέγεθος του ίδιου του γαλαξία.
Πώς ενεργοποιούνται οι τεράστιοι λοβοί του ραδιοφώνου; Η συμμετρική τοποθέτησή τους γύρω από έναν γαλαξία υποδηλώνει ξεκάθαρα μια στενή σχέση. Στη δεκαετία του 1960, ευαίσθητα ραδιοσυμβολόμετρα επιβεβαίωσαν την περιστασιακή περίπτωση μιας σχέσης ανακαλύπτοντας αχνά ίχνη ή «πίδακες», εντοπίζοντας την εκπομπή ραδιοφώνου από τους λοβούς πίσω σε μια πολύ συμπαγή πηγή στο ακριβές κέντρο του γαλαξία. Αυτά τα ευρήματα παρακίνησαν τους αστρονόμους ραδιοφώνου να αυξήσουν τα μεγέθη των συμβολομέτρων τους προκειμένου να επιλύσουν καλύτερα αυτές τις εκπομπές. Τελικά αυτό οδήγησε στην τεχνική της Very Long Baseline Interferometry (VLBI), στην οποία τα ραδιοφωνικά σήματα από τις κεραίες σε όλη τη Γη συνδυάζονται για να λάβουν τη γωνιακή ανάλυση ενός τηλεσκοπίου στο μέγεθος του πλανήτη μας! Οι ραδιοφωνικές εικόνες που έγιναν από παρατηρήσεις VLBI αποκάλυψαν σύντομα ότι οι πηγές στα κέντρα των ραδιογαλαξιών είναι "μικροσκοπικές" σύμφωνα με τα πρότυπα των γαλαξιών, ακόμη μικρότερες από την απόσταση μεταξύ του ήλιου και του πλησιέστερου αστέρα μας.
Όταν οι αστρονόμοι υπολόγισαν την ενέργεια που απαιτείται για την τροφοδοσία των ραδιολοβών, έμειναν έκπληκτοι. Χρειάστηκαν 10 εκατομμύρια αστέρια για να «εξατμισθούν», μετατρέποντας πλήρως τη μάζα τους σε ενέργεια χρησιμοποιώντας τη διάσημη εξίσωση του Αϊνστάιν E =mc ! Οι πυρηνικές αντιδράσεις, που τροφοδοτούν τα αστέρια, δεν μπορούν να μετατρέψουν ούτε το 1 τοις εκατό της μάζας ενός άστρου σε ενέργεια. Έτσι, η προσπάθεια να εξηγηθεί η ενέργεια σε ραδιολοβούς με πυρηνική ενέργεια θα απαιτούσε περισσότερα από 1 δισεκατομμύριο αστέρια και αυτά τα αστέρια θα έπρεπε να ζουν εντός του «μικροσκοπικού» όγκου που υποδεικνύεται από τις παρατηρήσεις του VLBI. Εξαιτίας αυτών των ευρημάτων, οι αστρονόμοι άρχισαν να εξετάζουν εναλλακτικές πηγές ενέργειας:υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.
Δεδομένου ότι τα κέντρα των γαλαξιών μπορεί να φιλοξενούν υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, ήταν φυσικό να ελέγξουμε το κέντρο του Γαλαξία μας για ένα τέτοιο τέρας. Το 1974, ανακαλύφθηκε εκεί μια πολύ συμπαγής ραδιοφωνική πηγή, μικρότερη από 1 δευτερόλεπτο τόξου (1/3600 της μοίρας). Η συμπαγής πηγή ονομάστηκε Sagittarius A, ή Sgr A για συντομία, και φαίνεται στο κέντρο του δεξιού πίνακα του Σχήματος 2. Οι πρώτες παρατηρήσεις του VLBI έδειξαν ότι το Sgr A ήταν πολύ πιο συμπαγές από το μέγεθος του ηλιακού μας συστήματος. Ωστόσο, καμία προφανής οπτική, υπέρυθρη ή ακόμα και πηγή εκπομπής ακτίνων Χ δεν μπορούσε να ταυτιστεί με σιγουριά με αυτό και η φύση του παρέμεινε μυστηριώδης.
Εν τω μεταξύ, η ανάπτυξη υπερύθρων καμερών υψηλής ανάλυσης αποκάλυψε ένα πυκνό σμήνος αστεριών στο κέντρο του Γαλαξία. Αυτά τα αστέρια δεν είναι ορατά σε οπτικά μήκη κύματος, επειδή το ορατό φως απορροφάται πλήρως από την ενδιάμεση σκόνη. Ωστόσο, στα υπέρυθρα μήκη κύματος το 10 τοις εκατό του αστρικού φωτός τους φτάνει στα τηλεσκόπια μας και οι αστρονόμοι μετρούν τις θέσεις αυτών των αστεριών για περισσότερες από δύο δεκαετίες. Αυτές οι παρατηρήσεις κορυφώθηκαν με τη σημαντική ανακάλυψη ότι τα αστέρια κινούνται κατά μήκος ελλειπτικών μονοπατιών, που είναι ένα μοναδικό χαρακτηριστικό των βαρυτικών τροχιών. Ένα από αυτά τα αστέρια έχει πλέον εντοπιστεί σε μια πλήρη τροχιά, όπως φαίνεται στο αριστερό πλαίσιο της Εικόνας 2.
Πολλά αστέρια έχουν ακολουθηθεί κατά μήκος μερικών τροχιών, και όλα είναι συνεπή με τροχιές γύρω από ένα μόνο αντικείμενο. Δύο αστέρια έχουν παρατηρηθεί να πλησιάζουν το κέντρο στο μέγεθος του ηλιακού μας συστήματος, το οποίο σύμφωνα με τα πρότυπα των γαλαξιών είναι πολύ μικρό. Σε αυτό το σημείο, η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή που τα αστέρια περιφέρονται με σχεδόν 10.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο — αρκετά γρήγορα για να διασχίσουν τη Γη σε ένα δευτερόλεπτο! Αυτές οι μετρήσεις δεν αφήνουν καμία αμφιβολία ότι τα αστέρια ανταποκρίνονται σε μια αόρατη μάζα 4 εκατομμυρίων φορές μεγαλύτερη από αυτή του ήλιου. Ο συνδυασμός αυτής της μάζας με τον (αστρονομικά) μικρό όγκο που υποδεικνύεται από τις αστρικές τροχιές συνεπάγεται μια εξαιρετικά υψηλή πυκνότητα. Σε αυτή την πυκνότητα είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς πώς δεν θα κατέρρεε οποιοσδήποτε τύπος ύλης για να σχηματίσει μια μαύρη τρύπα.
Τα αποτελέσματα υπερύθρων που μόλις περιγράφηκαν συμπληρώνονται όμορφα από παρατηρήσεις σε μήκη κύματος ραδιοφώνου. Προκειμένου να εντοπιστεί ένα αντίστοιχο υπέρυθρο για το Sgr A, η θέση της ραδιοφωνικής πηγής έπρεπε να μεταφερθεί με ακρίβεια στις υπέρυθρες εικόνες. Μια έξυπνη μέθοδος για να γίνει αυτό χρησιμοποιεί πηγές ορατές τόσο στο ραδιόφωνο όσο και στο υπέρυθρο μήκη κύματος για να συνδέσει τα πλαίσια αναφοράς μεταξύ τους. Ιδανικές πηγές είναι τα γιγάντια κόκκινα αστέρια, τα οποία είναι φωτεινά στο υπέρυθρο και έχουν ισχυρή εκπομπή σε μήκη κύματος ραδιοφώνου από τα μόρια που τα περιβάλλουν. Αντιστοιχίζοντας τις θέσεις αυτών των αστεριών στις δύο ζώνες κύματος, η ραδιοφωνική θέση του Sgr A μπορεί να μεταφερθεί σε υπέρυθρες εικόνες με ακρίβεια 0,001 δευτερολέπτων τόξου. Αυτή η τεχνική τοποθέτησε το Sgr A ακριβώς στη θέση του βαρυτικού κέντρου των αστεριών που βρίσκονται σε τροχιά.
Πόσο από τη σκοτεινή μάζα μέσα στις αστρικές τροχιές μπορεί να συσχετιστεί άμεσα με τη ραδιοφωνική πηγή Sgr A; Αν το Sgr A ήταν αστέρι, θα κινούνταν με πάνω από 10.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο στο ισχυρό βαρυτικό πεδίο, όπως παρατηρείται ότι κάνουν άλλα αστέρια. Μόνο αν το Sgr A είναι εξαιρετικά ογκώδες θα κινηθεί αργά. Η θέση του Sgr A παρακολουθείται με τεχνικές VLBI για πάνω από δύο δεκαετίες, αποκαλύπτοντας ότι είναι ουσιαστικά ακίνητο στο δυναμικό κέντρο του Γαλαξία. Συγκεκριμένα, η συνιστώσα της εγγενούς κίνησης του Sgr A κάθετα στο επίπεδο του Γαλαξία είναι μικρότερη από ένα χιλιόμετρο ανά δευτερόλεπτο. Συγκριτικά, αυτό είναι 30 φορές πιο αργό από ό,τι η Γη περιστρέφεται γύρω από τον ήλιο. Η ανακάλυψη ότι το Sgr A είναι ουσιαστικά ακίνητο και αγκυρώνει το γαλαξιακό κέντρο απαιτεί ότι το Sgr A περιέχει πάνω από 400.000 φορές τη μάζα του ήλιου.
Πρόσφατες παρατηρήσεις VLBI έδειξαν ότι το μέγεθος της ραδιοεκπομπής του Sgr A είναι μικρότερο από αυτό που περιέχεται στην τροχιά του Ερμή. Ο συνδυασμός αυτού του όγκου που είναι διαθέσιμος στο Sgr A με το κατώτερο όριο της μάζας του αποδίδει μια εκπληκτικά υψηλή πυκνότητα. Αυτή η πυκνότητα είναι εντός ενός συντελεστή μικρότερο από το 10 του τελικού ορίου για μια μαύρη τρύπα. Σε μια τέτοια ακραία πυκνότητα, τα στοιχεία είναι συντριπτικά ότι το Sgr A είναι μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα.
Αυτές οι ανακαλύψεις είναι κομψές για την αμεσότητα και την απλότητά τους. Οι τροχιές των αστεριών παρέχουν μια απολύτως σαφή και ξεκάθαρη απόδειξη μιας μεγάλης αόρατης συγκέντρωσης μάζας. Η διαπίστωση ότι η συμπαγής ραδιοφωνική πηγή Sgr A βρίσκεται στην ακριβή θέση της αόρατης μάζας και είναι ακίνητη παρέχει ακόμη πιο πειστικές αποδείξεις για μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα. Μαζί σχηματίζουν μια απλή, μοναδική απόδειξη ότι η φανταστική ιδέα μιας υπερμεγέθους μαύρης τρύπας είναι πράγματι πραγματικότητα. Ο John Michell και ο Pierre-Simon Laplace θα έμειναν έκπληκτοι όταν μάθαιναν ότι οι εικασίες τους για τις μαύρες τρύπες όχι μόνο αποδείχτηκαν σωστές, αλλά ήταν πολύ μεγαλύτερες από ό,τι θα μπορούσαν ποτέ να φανταστούν.
Ο Mark J. Reid είναι ανώτερος αστρονόμος στο Κέντρο Αστροφυσικής, Χάρβαρντ &Σμιθσόνιαν. Χρησιμοποιεί ραδιοτηλεσκόπια σε όλη την υδρόγειο ταυτόχρονα για να λάβει εικόνες με την υψηλότερη ανάλυση νεογέννητων και ετοιμοθάνατων αστεριών, καθώς και μαύρων τρυπών.
Αυτό το δοκίμιο κατέλαβε τη δεύτερη θέση στον διαγωνισμό δοκιμίου του Ινστιτούτου Black Hole.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύτηκε αρχικά στο τεύχος "Μοτίβα" τον Φεβρουάριο του 2019.
