Γιατί είναι δύσκολο για τις μαύρες τρύπες να ενωθούν
Ξεκινά σαν ένα κλασικό ειδύλλιο:Δύο μαύρες τρύπες συναντώνται. Η έλξη είναι πρακτικά άμεση. Χορεύουν ο ένας γύρω από τον άλλο, στροβιλίζονται όλο και πιο κοντά, μέχρι …
Μέχρι τι; Όπως συμβαίνει με κάθε ερωτική σχέση, εδώ είναι που τα πράγματα γίνονται ακατάστατα.
Προβλέφθηκε για πρώτη φορά από τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, οι μαύρες τρύπες είναι απύθμενοι λάκκοι στον ιστό του χωροχρόνου - βαρυτικά πηγάδια τόσο βαθιά που τίποτα, ούτε καν το φως, δεν μπορεί να διαφύγει. Μικρές μαύρες τρύπες, παγιδεύοντας τη μάζα λίγων μόνο ήλιων, γεμίζουν το σύμπαν σαν σιωπηλές νάρκες ξηράς, ενώ οι μεγαλύτερες, οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, καταλαμβάνουν το κέντρο σχεδόν κάθε γαλαξία, υπερυψώνοντας χείμαρρους ύλης. Αυτοί οι γίγαντες περιέχουν τόση μάζα όση εκατοντάδες εκατομμύρια ήλιοι. Οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι σχηματίστηκαν από μια μακρά αλυσίδα γαλαξιακών συγχωνεύσεων—δεκάδες, ή ίσως ακόμη και εκατοντάδες, ευτυχισμένες ενώσεις που εκτείνονται από τις πρώτες μέρες του σύμπαντος.
«Ολόκληρη η εικόνα μας για το σχηματισμό της δομής του σύμπαντος περιλαμβάνει αυτήν την ιεραρχική διαδικασία μικρών γαλαξιών που συγχωνεύονται για να σχηματίσουν μεγάλους γαλαξίες και μεγάλων γαλαξιών που συγχωνεύονται για να γίνουν ακόμη μεγαλύτεροι γαλαξίες», λέει ο φυσικός Robert Owen, ο οποίος μελετά τις συγκρούσεις μαύρης τρύπας στο Oberlin College, στο Οχάιο, ως μέρος της συνεργασίας Simulating eXtreme Spacetimes. Κάθε συγχώνευση διαρκεί εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια ή περισσότερα—πολύ πολλά για να φανεί σε δράση—αλλά οι θεωρητικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν προσομοιώσεις για να αναδημιουργήσουν ολόκληρη την υπόθεση σε κώδικα υπολογιστή.
Και εδώ αρχίζει το πρόβλημα. Όταν οι φυσικοί εκτελούν τις προσομοιώσεις τους, οι δύο κεντρικές μαύρες τρύπες σε ένα ζευγάρι συγκρουόμενων γαλαξιών κολλάνε. Σπάνια, αν ποτέ, οι μαύρες τρύπες συντρίβονται μετωπικά. Αντίθετα, επειδή συνήθως ταξιδεύουν κατά μήκος χωριστών, μη ευθυγραμμισμένων μονοπατιών όταν συναντώνται, η διατηρημένη γωνιακή τους ορμή τους αναγκάζει να στρέφονται το ένα προς το άλλο. Πλησιάζουν όλο και πιο κοντά, αιχμάλωτοι της αμοιβαίας έλξης τους, έως ότου περιφέρονται σε απόσταση τριών ετών φωτός, ή ενός παρσεκ, μεταξύ τους. Τότε, σαν ντροπαλοί εραστές, δεν πάνε πιο μακριά.
Γιατί; Ο Όουεν προσφέρει μια αναλογία:Φανταστείτε ότι το χέρι σας είναι μια από αυτές τις μαύρες τρύπες και το στροβιλίζετε σε έναν κουβά με νερό που αντιπροσωπεύει το σμήνος της συγχωνευμένης γαλαξιακής ύλης. Στην αρχή το νερό πιέζει το χέρι σας, επιβραδύνοντάς το. Στο διάστημα, αυτή η βαρυτική αλληλεπίδραση, γνωστή ως δυναμική τριβή, μειώνει τη γωνιακή ορμή μιας μαύρης τρύπας σε τροχιά, προκαλώντας την να παρασύρεται προς τον σύντροφό της. Αλλά με την πάροδο του χρόνου, το νερό στον κουβά αρχίζει να ρέει προς την ίδια κατεύθυνση με το χέρι σας, έτσι νιώθετε λιγότερη αντίσταση. Ομοίως, σε μια προσομοιωμένη γαλαξιακή συγχώνευση, τα αστέρια και άλλα αντικείμενα ευθυγραμμίζουν την κίνησή τους με τις διαδρομές των δύο μαύρων τρυπών που στροβιλίζονται. Και καθώς η δυναμική τριβή σταδιακά εξασθενεί, οι μαύρες τρύπες εγκαθίστανται σε σταθερές τροχιές.
Εάν η ιστορία των φυσικών για το σχηματισμό του σύμπαντος είναι σωστή, τέτοιες ζευγαρωμένες μαύρες τρύπες θα πρέπει τελικά να συγκρουστούν και να καταναλώσουν η μία την άλλη, και να γίνουν ένα. Αλλά για να γίνει αυτό, πρέπει με κάποιο τρόπο να χάσουν αρκετή ενέργεια για να ξαναρχίσουν την εσωτερική τους σπείρα πέρα από το τελικό parsec. Μόλις φτάσουν πολύ κοντά - μόλις δισεκατομμύρια μίλια απέχουν μεταξύ τους (περίπου 0,001 parsec) - η γενική σχετικότητα λέει ότι θα εκτινάξουν την τελευταία τροχιακή τους ορμή σε ένα μεγάλο κρεσέντο βαρυτικών κυμάτων, κυματισμούς στο χωροχρόνο που ηχούν από μια βαρυτική διαταραχή. Αυτή η τελική έκρηξη ενέργειας βυθίζει τις μαύρες τρύπες μαζί, ολοκληρώνοντας τη δουλειά σε λίγες ώρες, ημέρες ή χρόνια, ανάλογα με το πόσο μάζα είναι οι μαύρες τρύπες.
Τι οδηγεί αυτή τη μοιραία αγκαλιά; Η ερώτηση, γνωστή ως «τελικό πρόβλημα parsec», δεν είναι απλώς θέμα περιέργειας. Η απάντηση θα μπορούσε να αλλάξει την κατανόησή μας για το πώς το σύμπαν έχτισε την περίτεχνη δομή του και για τη φύση της ίδιας της βαρύτητας. Γι' αυτό, καθώς οι φυσικοί ασχολούνται με τις προσομοιώσεις τους, οι αστρονόμοι ψάχνουν στους ουρανούς για ενδείξεις για το πώς οι μαύρες τρύπες λύνουν το τελικό πρόβλημα parsec στην άγρια φύση—αν το κάνουν καθόλου.
Τα τελευταία 30 χρόνια, οι αστρονόμοι έχουν συλλέξει στιγμιότυπα από εκατοντάδες γαλαξίες με διπλές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες σε διάφορα στάδια σύγκρουσης. Αλλά ακόμη και τα πιο οικεία πορτρέτα δεν αποκαλύπτουν ζεύγη που περιστρέφονται πιο κοντά από μερικές χιλιάδες parsec. «Το να ψάχνεις εκείνα που είναι πολύ πιο κοντά στη συγχώνευση, στην κλίμακα parsec ή μικρότερα, είναι πολύ πιο δύσκολο», λέει ο υπολογιστικός επιστήμονας Μάθιου Γκράχαμ στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια. Ακόμη και τα μεγαλύτερα τηλεσκόπια στη Γη δεν μπορούν να μεγεθύνουν αρκετά ώστε να επιλύσουν μια εικόνα δύο μαύρων οπών σε μια τόσο στενή τροχιά.
Έτσι, ο Γκράχαμ και οι συνάδελφοί του αναζητούν μια έμμεση διαδρομή:το φως κβάζαρ που τρεμοπαίζει. Τα κβάζαρ είναι εξαιρετικά φωτεινοί πυρήνες τεράστιων, αρχαίων γαλαξιών. Καθώς η ύλη στροβιλίζεται προς τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στα κέντρα τους, συσσωρεύεται σε έναν δίσκο του οποίου η γωνιακή ορμή μετατρέπει μέρος αυτής της μάζας σε ακτινοβολία που ξεπερνά τον ίδιο τον γαλαξία. Επειδή το αέριο και η σκόνη δεν ρέουν στο δίσκο με ομαλή ροή, το φως κβάζαρ ποικίλλει, συνήθως σε τυχαίο μοτίβο.
Αλλά στα τέλη του 2013 ήρθε ένα κβάζαρ που «ξεχώριζε σαν επώδυνος αντίχειρας», λέει ο Graham. Χρησιμοποιώντας δεδομένα 10 ετών από μια συνεργασία που ονομάζεται Catalina Real-Time Transient Survey, αυτός και οι συνάδελφοί του πήραν ένα παράξενα προβλέψιμο σήμα:Περίπου 3,5 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη, το κβάζαρ «PG 1302-102» φαινόταν να παίρνει σταθερά φωτεινότερο και πιο σκοτεινό κάθε πεντέμισι χρόνια, σαν κάποιος να άλλαζε σιγά-σιγά κάποιο κοσμικό διακόπτη ροοστάτη.
Τι θα μπορούσε να παράγει αυτόν τον κύκλο; «Καταλήξαμε σε τέσσερα ή πέντε διαφορετικά φυσικά σενάρια», λέει ο Graham. Οι περιστροφές μιας δεύτερης υπερμεγέθους μαύρης τρύπας, για παράδειγμα, θα μπορούσαν να ανακατευθύνουν τακτικά τους πίδακες ακτινοβολίας του κβάζαρ σαν δέσμες προβολέων. Ή ίσως αυτή η επιπλέον μαύρη τρύπα έστρεφε τον δίσκο της στροβιλιζόμενης ύλης, λαμπρύνοντας και μειώνοντας έτσι το κβάζαρ σε ένα κανονικό πρόγραμμα. Όλες οι εξηγήσεις των ερευνητών είχαν ένα κοινό:Είχαν νόημα μόνο αν η μαύρη τρύπα στο κέντρο του PG 1302-102 ήταν στην πραγματικότητα δύο μαύρες τρύπες.
Εάν υπάρχει πραγματικά μια δυαδική μαύρη τρύπα στο κέντρο του PG 1302-102, ο Graham και η ομάδα του υπολογίζουν τον διαχωρισμό τους σε μόλις 0,01 parsec. Μια άλλη ανάλυση, από μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο της Κολούμπια, φέρνει το ζεύγος ακόμα πιο κοντά, στο 0,001 parsec, ή περίπου τη διάμετρο του ηλιακού μας συστήματος - σχετικά με το σημείο στο οποίο οι μαύρες τρύπες θα πρέπει να ρίχνουν βαρυτικά κύματα σαν στρώματα ρούχων, βυθίζοντάς τα σε τα χέρια ο ένας του άλλου. Είτε έτσι είτε αλλιώς, αν οι ερευνητές διαβάζουν σωστά τα σήματα από το PG 1302-102, το ηθικό δόγμα είναι το ίδιο:Η φύση έλυσε το τελικό πρόβλημα parsec.
Ο Graham και άλλοι ερευνητές έχουν εντοπίσει μέχρι στιγμής περισσότερα από 100 κβάζαρ στο σύνολο δεδομένων Catalina που πιστεύουν ότι θα μπορούσαν να περιέχουν δυαδικά αρχεία μαύρης τρύπας, όλα εύκολα εντός του τελικού parsec. Αν μπορέσουν να επιβεβαιώσουν την υποψία τους, αυτοί οι υποψήφιοι θα μπορούσαν να τους δώσουν μια ματιά στο μεγάλο φινάλε του έπος της σύγκρουσης, το οποίο η φύση έχει κρατήσει τόσο καλά κρυμμένο.
Το μεγάλο σπάσιμο στο τελικό πρόβλημα του parsec, ωστόσο - η αποκάλυψη του τρόπου με τον οποίο οι μαύρες τρύπες ξεκλειδώνονται από μια σταθερή τροχιά για να ολοκληρώσουν την ένωσή τους - μπορεί να προέλθει από την εξέταση του σύμπαντος με έναν εντελώς νέο τρόπο. «Πραγματικά απλώς ψαχουλεύουμε με ηλεκτρομαγνητικά κύματα», λέει ο Owen, περιγράφοντας τις προσπάθειες να βρούμε σφιχτά δυαδικά τεμάχια μαύρης τρύπας χρησιμοποιώντας παραδοσιακά τηλεσκόπια. Θεωρητικά, μια συγχώνευση μαύρης τρύπας θα πρέπει να απελευθερώσει 100 εκατομμύρια φορές περισσότερη ενέργεια από μια έκρηξη σουπερνόβα, αλλά όλη αυτή η ενέργεια έρχεται με τη μορφή βαρυτικών κυμάτων και όχι φωτός. «Προσπαθούμε να ακούσουμε με τα μάτια μας—είναι σαν να συμπεραίνουμε ότι ένα τύμπανο ταλαντεύεται απλώς κοιτάζοντάς το, χωρίς να μπορούμε να το ακούσουμε».
Η παρατήρηση των συγκρούσεων μαύρης τρύπας μέσω βαρυτικών κυμάτων θα μπορούσε να δώσει στους αστρονόμους μια πολύ πιο ξεκάθαρη άποψη. «Το φως που προέρχεται από τα κέντρα των γαλαξιών συχνά απορροφάται, εκπέμπεται ξανά ή διασκορπίζεται από σύννεφα αερίου και σκόνης», δημιουργώντας μια αμυδρή και παραμορφωμένη εικόνα, εξηγεί η Chiara Mingarelli, αστροφυσικός στο Caltech και στο Ινστιτούτο Max Planck για Ραδιοαστρονομία. . «Οι [βαρυτικοί] κυματισμοί δεν ενδιαφέρονται αν υπάρχει αέριο και σκόνη – κινούνται μέσα από αυτό, ανενόχλητοι. Αυτό είναι το ύφασμα του ίδιου του χωροχρόνου που κινείται.»
Ο εντοπισμός αυτών των κυματισμών, ωστόσο, δεν θα είναι εύκολος:Η αστρονομία των βαρυτικών κυμάτων είναι μια νεοεμφανιζόμενη επιστήμη, η οποία δεν έχει ακόμη επιστρέψει ούτε μία ανίχνευση. Επιπλέον, τα υπερσύγχρονα αστεροσκοπεία που βασίζονται σε λέιζερ, όπως το LIGO, δεν είναι ευαίσθητα στα αργά ταλαντευόμενα κύματα που οι αστρονόμοι υποψιάζονται ότι αντλούν από οικεία δυαδικά αρχεία μαύρης τρύπας όπως το PG 1302-102.
Οι ερευνητές ελπίζουν αντί αυτού να εντοπίσουν αυτές τις διαταραχές χρησιμοποιώντας «τηλεσκόπια» που παρέχονται από τη φύση:πάλσαρ χιλιοστού του δευτερολέπτου. Αυτά τα πυκνά, περιστρεφόμενα πτώματα από εκρηκτικά αστέρια διακοσμούν το σύμπαν σαν σημαδούρες σε έναν ωκεανό, σαρωτικές δέσμες ραδιοκυμάτων δίπλα από τη Γη με ακρίβεια ατομικού ρολογιού. Παρακολουθώντας το tick-tock δεκάδων πάλσαρ του χιλιοστού του δευτερολέπτου (μια «συστοιχία χρονισμού πάλσαρ») στον δικό μας γαλαξία, τον Γαλαξία μας, οι αστρονόμοι μπορούν να αναζητήσουν ενδεικτικές αποκλίσεις που αποκαλύπτουν το κύμα βαρυτικών κυμάτων από δύο μαύρες τρύπες που διασχίζουν το τελικό παρσεκ. σε έναν μακρινό γαλαξία.
Η φασματική υπογραφή αυτών των κυμάτων - από τα γρήγορα φτερουγίσματα έως τις αργές διόγκωση και όλα τα ενδιάμεσα - θα παρείχε δεδομένα βάσει των οποίων οι φυσικοί μπορούν να δοκιμάσουν νέα ή αναθεωρημένα μοντέλα της διαδικασίας ενοποίησης. «Οι συστοιχίες χρονισμού Pulsar είναι το μόνο όργανο που έχουμε για να μας πούμε τι συμβαίνει σε αυτήν την κλίμακα του τελευταίου παρσεκ - τι πραγματικά οδηγεί τα τελικά στάδια των δυαδικών συγχωνεύσεων μαύρης τρύπας», λέει ο Joseph Simon, ένας μεταπτυχιακός φοιτητής που μελετά αυτές τις συγκρούσεις στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin-Milwaukee.
Η απουσία βαρυτικών κυμάτων θα μπορούσε επίσης να παρέχει μια σημαντική ένδειξη. Μετά από σχεδόν μια δεκαετία χρονομέτρησης, λέει ο Simon, οι συστοιχίες χρονισμού πάλσαρ «είναι επιτέλους αρκετά ευαίσθητοι ώστε ακόμη και η μη ανίχνευση να μας ενημερώνει για το τι συμβαίνει». Το γεγονός ότι αυτές οι συστοιχίες δεν έχουν πάρει ακόμη το άρωμα των βαρυτικών κυμάτων θα μπορούσε να σημαίνει ότι η κατανόηση των θεωρητικών για το τι συμβαίνει με τις συγκρουόμενες μαύρες τρύπες μόλις διασχίσουν το τελικό παρσεκ δεν είναι σωστή. Αντί να εκραγεί ως βαρυτική ακτινοβολία, μέρος της ενέργειας που χάνεται σε αυτή την τελική βύθιση μπορεί αντί αυτού να αιμορραγεί μέσω κάποιας ακόμα άγνωστης αλληλεπίδρασης με κοντινά αστέρια και αέριο. Ίσως οι μαύρες τρύπες να πετούν μακριά μερικά αστέρια που στρέφονται προς το μέρος τους, για παράδειγμα. Ή μήπως η βαρυτική τους έλξη στρέψει τον δίσκο σκόνης και αερίου γύρω τους. Εάν οι φυσικοί μπορούν να επεξεργαστούν αυτόν τον μηχανισμό εξοικονόμησης ενέργειας, θα μπορούσε να εξηγήσει πώς οι μαύρες τρύπες που συγχωνεύονται διασχίζουν το τελικό parsec.
Οι υπολογισμοί τους θα τους οδηγήσουν στα όρια των προβλέψεων του Αϊνστάιν. «Μιλάμε για τη γενική σχετικότητα σαν να είναι μια εξαιρετικά καλά επιβεβαιωμένη θεωρία, και με ορισμένα μέτρα είναι η πιο ακριβής επιβεβαιωμένη θεωρία στη φυσική», λέει ο Owen. Αλλά οι επιστήμονες δεν το έχουν δοκιμάσει ποτέ σε ακραία βαρυτικά γεγονότα, όπως μια συγχώνευση μαύρης τρύπας, όπου η φυσική αποκλίνει δραματικά από τους νόμους που θέσπισε ο Isaac Newton πριν από περισσότερους από τρεις αιώνες. όπου οι γνωστές έννοιες όπως η ενέργεια, η ορμή και η μάζα χάνουν το νόημά τους. Εάν αποδειχθεί ότι οι βαρυτικές εκρήξεις από ενώσεις μαύρης τρύπας είναι όντως πιο αδύναμες από ό,τι θα έπρεπε να είναι η γενική σχετικότητα, ίσως είναι καιρός για μια προσαρμογή.
Τελικά, η ολοκλήρωση της ιστορίας αγάπης της μαύρης τρύπας θα μας πει σε τι είδους βόλτα βρισκόμαστε εδώ στη Γη—είτε κυλιόμαστε πάνω σε έναν κατακλυσμό από βαρυτικά κύματα, είτε απλώς μια στάλα. "Αυτή είναι πραγματικά η διαφορά μεταξύ μιας πολύ ήρεμης εξωγαλαξιακής θάλασσας του χωροχρόνου και μιας πολύ βίαιης θάλασσας του χωροχρόνου", λέει ο Owen.
Η Κέιτ Μπέκερ γράφει για τη φυσική, την αστρονομία και άλλα θαύματα του σύμπαντος. Ζει στο Μπρούκλιν της Μασαχουσέτης.
