Εκεί που η φύση κρύβει το πιο σκοτεινό μυστήριο όλων

Κανένα γνωστό αντικείμενο που υπάρχει δεν έχει τόσο σαφή διαχωρισμό μεταξύ «μέσα» και «έξω» όσο μια μαύρη τρύπα. Ζούμε και βλέπουμε το εξωτερικό, και καμία έρευνα δεν θα μας φέρει πληροφορίες για το εσωτερικό. Μπορούμε να στείλουμε ραδιοφωνικά μηνύματα ή ρομποτικά διαστημόπλοια, αλλά μόλις περάσουν στο εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας, δεν θα λάβουμε ποτέ πίσω αυτούς τους απεσταλμένους … ή οποιαδήποτε πληροφορία για το τι τους συνέβη.

Το όριο μιας μαύρης τρύπας είναι ο ορίζοντας γεγονότων της. Δεν είναι μια επιφάνεια με τη συνήθη έννοια - δεν υπάρχει φυσικό εμπόδιο - αλλά είναι πολύ πραγματικό πράγμα. Έξω από τον ορίζοντα, ένα αντικείμενο μπορεί να ξεφύγει από τη βαρυτική έλξη της μαύρης τρύπας εάν κινείται αρκετά γρήγορα. μέσα, θα έπρεπε να κινείται πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός, κάτι που απαγορεύεται από τους νόμους της φύσης.

Με μια ουσιαστική έννοια, μια μαύρη τρύπα είναι ο ορίζοντας γεγονότων του, αφού δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε τίποτα μέσα του με καμία μέθοδο. Το εσωτερικό είναι το μεγαλύτερο μυστικό της φύσης, το οποίο περιβάλλεται από ένα φράγμα που αφήνει τα πάντα μέσα αλλά τίποτα να βγουν.

Για να γίνουν οι μαύρες τρύπες ακόμα πιο αινιγματικές, είναι επίσης τελείως χωρίς χαρακτηριστικά, σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, την καλύτερη εξήγηση για το πώς λειτουργεί η βαρύτητα. Μπορεί να γεννιούνται από καταστάσεις τόσο διαφορετικές όπως οι θάνατοι άστρων και η βαρυτική κατάρρευση τεράστιων ποσοτήτων αερίου στο πρώιμο σύμπαν, αλλά το αποτέλεσμα είναι το ίδιο. Ακόμη και η χημική σύσταση αυτού που απορροφάται και το σχηματίζει είναι άσχετη. Οι μόνες ιδιότητες που παρουσιάζει μια μαύρη τρύπα στο ευρύτερο σύμπαν είναι η μάζα της και το πόσο γρήγορα περιστρέφεται.

Αυτό το αποτέλεσμα είναι γνωστό ως "θεώρημα χωρίς τρίχες":Ό,τι συμβαίνει στο εσωτερικό, καμία "τρίχα" δεν ξεφεύγει από τον ορίζοντα γεγονότων. (Το όνομα επινοήθηκε από τον εξέχοντα φυσικό John Archibald Wheeler, προφανώς όχι ένας άνθρωπος ευαίσθητος σε μια υποχώρηση της γραμμής των μαλλιών.) Αυτό το θεώρημα παρουσιάζει ένα προκλητικό αίνιγμα:Δεν γνωρίζουμε αν μια μαύρη τρύπα διαγράφει πραγματικά την αυτοβιογραφία της, «ξεχνώντας» το παρελθόν της και την προγονική του σύνθεση, ή τη διατηρεί με κάποιον τρόπο που δεν γνωρίζουμε ακόμη. Εάν αυτές οι πληροφορίες καταστραφούν, είναι παραβίαση μιας από τις αρχές της κβαντικής μηχανικής. αν διατηρηθεί, απαιτεί μια θεωρία πέρα ​​από τη γενική σχετικότητα.

Το εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας δεν είναι απλώς μια απρόσιτη περιοχή του σύμπαντος. Είναι ένα εργαστήριο για την πιο ακραία φυσική:την ισχυρότερη βαρύτητα και τις πιο έντονες κβαντικές διεργασίες. Για αυτόν τον λόγο, οι φυσικοί ενδιαφέρονται να κατανοήσουν τι συμβαίνει μέσα τους, ακόμα κι αν είναι απογοητευμένοι από την έλλειψη άμεσων πειραμάτων ή παρατηρήσεων που θα μπορούσαν να δοκιμάσουν τις ιδέες τους.

Δεν μπορούμε να διεισδύσουμε στον φαλακρό ορίζοντα γεγονότων, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι δεν γνωρίζουμε τίποτα για το εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας. Είμαστε σίγουροι ότι οι μαύρες τρύπες δεν περιέχουν πύλη σε άλλη περιοχή του διαστήματος (μια σκουληκότρυπα) ή άλλη πραγματικότητα, ό,τι κι αν μας είπε η επιστημονική φαντασία. Οι περισσότεροι φυσικοί είναι επίσης αρκετά βέβαιοι ότι μια πλήρης περιγραφή του εσωτερικού των μαύρων οπών θα απαιτήσει κβαντική βαρύτητα, μια θεωρία που ενοποιεί την κβαντική φυσική και τη γενική σχετικότητα - ή πιθανώς μια τροποποιημένη εκδοχή του τρέχοντος μοντέλου βαρύτητας. Η πλήρης δομή μιας τέτοιας θεωρίας είναι άγνωστη, αλλά οι ερευνητές έχουν κάποιες μικρογραφίες σχετικά με το πώς μπορεί να μοιάζει.

Μια υβριδική προσέγγιση συντάχθηκε από τους Yakov Borisovich Zel'dovich, Jacob Bekenstein και ειδικά τον Stephen Hawking. Χωρίς μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας, χρησιμοποίησαν τη σωματιδιακή φυσική σε συνδυασμό με τη γενική σχετικότητα για να δείξουν ότι ο ορίζοντας γεγονότων έχει μη μηδενική θερμοκρασία και επομένως λάμπει, αν και πολύ αμυδρά. Αυτή η λάμψη είναι γνωστή ως ακτινοβολία Hawking. προκύπτει όταν συνεργαζόμενα σωματίδια—ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο, ζεύγη φωτονίων κ.λπ.—δημιουργούνται στο έντονο βαρυτικό πεδίο. Το ένα σωματίδιο πέφτει στη μαύρη τρύπα, ενώ το άλλο διαφεύγει.

Δεδομένου ότι η ενέργεια από τη μαύρη τρύπα ήταν η πηγή της μάζας των νεοδημιουργηθέντων σωματιδίων (μέσω E =mc ), η μάζα της μαύρης τρύπας συρρικνώνεται ελαφρώς με κάθε σωματίδιο που διαφεύγει. Δυστυχώς, η θερμοκρασία του ορίζοντα γεγονότων είναι χαμηλή για τις μαύρες τρύπες όπως αυτές που βλέπουμε, επομένως η ακτινοβολία Hawking είναι αντίστοιχα πολύ πιο αμυδρή από άλλες πηγές φωτός. Ωστόσο, εάν υπάρχουν πολύ χαμηλής μάζας μαύρες τρύπες, θα έλαμπαν έντονα από την ακτινοβολία Hawking και θα διασπώνται σχετικά γρήγορα, εξατμιζόμενοι σε τίποτα. Η παρακολούθηση μιας τέτοιας μαύρης τρύπας να εξαφανίζεται μπορεί να βοηθήσει στην απάντηση στο ερώτημα εάν οι πληροφορίες έχουν πραγματικά χαθεί ή απλώς αποκρύπτονται από εμάς από τον ορίζοντα γεγονότων.

Είναι ενδιαφέρον ότι ο ίδιος ο Χόκινγκ πιστεύει ότι το πρόβλημα έχει λυθεί, τουλάχιστον κατ' αρχήν:οι μαύρες τρύπες διατηρούν τις πληροφορίες που καταπίνουν, όπως ένα ολόγραμμα διατηρεί πληροφορίες για τρεις διαστάσεις, παρόλο που είναι δισδιάστατες εικόνες. Η υπόθεσή του, που βασίζεται σε μια ιδέα στη θεωρία χορδών, δεν λειτουργεί ακόμη στον τετραδιάστατο σύμπαν μας (τρεις χωρικές διαστάσεις συν χρόνο), αλλά μάλλον για ένα αφηρημένο σύμπαν υψηλότερων διαστάσεων. Ως αποτέλεσμα, δεν είναι όλοι πεπεισμένοι από την επίδειξη του Χόκινγκ, ακόμα κι αν συμφωνούν ότι οι μαύρες τρύπες δεν ξεχνούν την προέλευσή τους.

Η ακτινοβολία Χόκινγκ προφανώς αποτελείται από όλα τα είδη πραγμάτων, συμπεριλαμβανομένων εξωτικών σωματιδίων όπως η σκοτεινή ύλη και τα γκραβιτόνια, που δεν έχουμε δει ποτέ στο εργαστήριο. Αυτή είναι μια ενδιαφέρουσα ιδέα, αν και πάλι η φύση παρεμβαίνει σκληρά στις καλύτερες προσπάθειές μας να τη μελετήσουμε, κάνοντας τις μικροσκοπικές μαύρες τρύπες σπάνιες ή ίσως ανύπαρκτες. μπορεί να είναι σε θέση να δει την ακτινοβολία Hawking από μια μεγαλύτερη μαύρη τρύπα, αλλά μόνο εάν δεν τρέφεται ενεργά από την ύλη και εάν η τρύπα είναι πολύ κοντά. (Μια άλλη επιλογή θα ήταν να δημιουργήσουμε μια μικροσκοπική μαύρη τρύπα στο εργαστήριο, αλλά χωρίς κάποιο νέο, εξωτικό είδος φυσικής, η απαραίτητη ενέργεια είναι πέρα ​​για πέρα.)

Η πλησιέστερη γνωστή μαύρη τρύπα στη Γη, η οποία φέρει το εξαιρετικά αξιομνημόνευτο όνομα V404 Cygni, βρίσκεται περίπου 8.000 έτη φωτός μακριά. Αν και αυτό είναι ένα απλό πλάτος τρίχας σε κοσμικούς όρους, είναι αρκετά μακριά ώστε να μην μπορούμε να το μελετήσουμε από κοντά. (Για σύγκριση, το Voyager 1—το πιο απομακρυσμένο από τον άνθρωπο ανιχνευτή—είναι λίγο πάνω από 17 ώρες φωτός-ώρες μακριά τη στιγμή που γράφονται αυτές οι γραμμές.) Η πλησιέστερη υπερμεγέθης μαύρη τρύπα (αυτή που υπερβαίνει τις 100.000 φορές τη μάζα του ήλιου) βρίσκεται ακόμη πιο μακριά:26.000 έτη φωτός. Αυτό είναι το τέρας στο κέντρο του Γαλαξία, γνωστό ως Τοξότης Α* (προφέρεται "Α αστέρι").

Βλέπουμε μαύρες τρύπες όπως το V404 Cygni από την ύλη που τις περιβάλλει:Υλικό που έχει αφαιρεθεί από τα συντροφικά αστέρια, για παράδειγμα, θερμαίνεται καθώς περιφέρεται γύρω από τη μαύρη τρύπα, εκπέμποντας ισχυρή ακτινοβολία ακτίνων Χ και ραδιοφώνου. Χάρη σε παρατηρήσεις υψηλής ανάλυσης που έγιναν πέρυσι, οι αστρονόμοι μέτρησαν το στροβιλιζόμενο αέριο σε πολύ κοντινές τροχιές προς τη γιγάντια μαύρη τρύπα στον γαλαξία M87. Και ο χορός των αστεριών και του πλάσματος κοντά στον Τοξότη Α* αποκαλύπτει την παρουσία της μαύρης τρύπας που βοηθά να κρατήσουμε τον γαλαξία μας ενωμένο.

Με συνεχείς βελτιώσεις, θα μπορούμε να έχουμε μια ακόμη καλύτερη εικόνα των μαύρων τρυπών, πλησιάζοντας όλο και πιο κοντά στον ορίζοντα γεγονότων. Ωστόσο, η φύση εξακολουθεί να κρύβει το μυστήριο του τι βρίσκεται μέσα σε μια μαύρη τρύπα, ίσως για πάντα.

Ο Μάθιου Φράνσις είναι φυσικός, συγγραφέας επιστημών, δημόσιος ομιλητής, εκπαιδευτικός και συχνά φορώντας καπέλα.

Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε αρχικά στο ιστολόγιό μας, Facts So Romantic, τον Οκτώβριο του 2013.

Το πρωτοποριακό φωτοκολάζ δημιουργήθηκε με εικόνες από τους Phil MacD Photography / Shutterstock και Alain r / Wikipedia