Η δίνη του χωροχρόνου του Αϊνστάιν επιβεβαιώθηκε γύρω από τη μαύρη τρύπα - Το όνειρο ενός φυσικού

Η εντύπωση ενός καλλιτέχνη απεικονίζει τον δίσκο προσαύξησης που περιβάλλει μια μαύρη τρύπα, στην οποία η εσωτερική περιοχή του δίσκου ταλαντεύεται. Σε αυτό το πλαίσιο, η ταλάντευση αναφέρεται στην τροχιά του υλικού που περιβάλλει τη μαύρη τρύπα αλλάζει προσανατολισμό γύρω από το κεντρικό αντικείμενο. Πίστωση:NASA

Για περισσότερα από 100 χρόνια, οι φυσικοί γνώριζαν -τουλάχιστον στα χαρτιά- ότι οι περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες θα πρέπει να ανακατεύουν το σύμπαν γύρω τους. Τώρα, χάρη στον βίαιο θάνατο ενός μακρινού άστρου, οι αστρονόμοι παρακολούθησαν επιτέλους αυτή την κοσμική ανάδευση να συμβαίνει σε πραγματικό χρόνο.

Το συμβάν εκτυλίχθηκε όταν ένα αστέρι περιπλανήθηκε πολύ κοντά σε μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα και διαλύθηκε σε αυτό που οι αστρονόμοι αποκαλούν γεγονός παλιρροϊκής διαταραχής ή TDE. Το επακόλουθο, που καταγράφηκε ως AT2020afhd, έγινε ένα τυχαίο εργαστήριο για τη δοκιμή μιας από τις πιο περίεργες προβλέψεις της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν:ότι τεράστια, περιστρεφόμενα αντικείμενα μπορούν να σύρουν τον ίδιο τον χωρόχρονο σε μια δίνη αργής κίνησης.

Παρακολουθώντας τα ρυθμικά τρεμοπαίζει σε ακτίνες Χ και ραδιοκύματα από αυτό το αστρικό συντρίμμι, οι επιστήμονες αναφέρουν τις πιο ξεκάθαρες ενδείξεις μέχρι τώρα ότι μια μαύρη τρύπα στρίβει το ύφασμα του χωροχρόνου γύρω της — ένα φαινόμενο γνωστό ως μετάπτωση φακού-θυστήρα.

Όταν ένα αστέρι γίνεται Spacetime Tracer

Τα γεγονότα παλιρροϊκής διακοπής είναι από τη φύση τους ακατάστατα. Καθώς το καταδικασμένο αστέρι τεντώνεται και τεμαχίζεται, το αέριό του σχηματίζει έναν λαμπερό δίσκο γύρω από τη μαύρη τρύπα. Μερικές φορές, αυτός ο δίσκος εκτοξεύει επίσης στενούς πίδακες ύλης που εκτοξεύονται προς τα έξω με ταχύτητα σχεδόν φωτός.

Το AT2020afhd αποδείχθηκε ιδιαίτερο.

Οι αστρονόμοι που παρακολουθούσαν το συμβάν παρατήρησαν ότι το φως των ακτίνων Χ λαμπρύνθηκε και μειώθηκε δραματικά - κατά περισσότερο από ένα συντελεστή δέκα - σύμφωνα με ένα κανονικό πρόγραμμα. Κάθε 19,6 ημέρες, το σήμα επαναλαμβανόταν. Αμέσως μετά, τα ραδιοτηλεσκόπια έπιασαν έναν αντίστοιχο ρυθμό.

Η βασική λεπτομέρεια δεν ήταν μόνο ο χρόνος. Οι ακτίνες Χ και τα ραδιοκύματα ταλαντεύτηκαν μαζί.

«Η μελέτη μας δείχνει τα πιο συναρπαστικά στοιχεία της μετάπτωσης Lense-Thirring – μια μαύρη τρύπα που σέρνει το χωροχρόνο μαζί της με τον ίδιο τρόπο που μια περιστρεφόμενη κορυφή θα μπορούσε να σέρνει το νερό γύρω της σε μια δίνη», δήλωσε ο Cosimo Inserra από το Πανεπιστήμιο του Κάρντιφ, συν-συγγραφέας της μελέτης.

Το μοντέλο μετάπτωσης εκτόξευσης δίσκου. Πιστώσεις: Προόδους της Επιστήμης  (2025). 

Αυτή η συγχρονισμένη ταλάντευση είπε στους επιστήμονες ότι δεν παρακολουθούσαν απλώς τυχαία τρεμοπαίζει. Έβλεπαν ολόκληρο το σύστημα - τον δίσκο των αστρικών συντριμμιών και τον πίδακα που εκτοξεύεται προς τα έξω - να αλλάζει σιγά σιγά προσανατολισμό καθώς ο ίδιος ο χωροχρόνος στρίβει κάτω από την περιστροφή της μαύρης τρύπας.

Για να αντιληφθεί αυτή τη συμπεριφορά, η ομάδα συνδύασε δεδομένα από το Παρατηρητήριο Neil Gehrels Swift της NASA, το οποίο παρακολουθεί τις ακτίνες Χ, με ραδιοπαρατηρήσεις από την πολύ μεγάλη συστοιχία Karl G. Jansky και άλλες εγκαταστάσεις. Οι προηγούμενες TDE απλά δεν παρατηρούνταν αρκετά συχνά στα ραδιοκύματα για να αποκαλύψουν αυτό το είδος βραχυπρόθεσμου μοτίβου.

Γιατί αυτό έχει σημασία πέρα από μια μαύρη τρύπα

Ο Αϊνστάιν άφησε να εννοηθεί για πρώτη φορά αυτό το φαινόμενο το 1913. Λίγα χρόνια αργότερα, οι Αυστριακοί φυσικοί Josef Lense και Hans Thirring επεξεργάστηκαν τα μαθηματικά. Αλλά το να βλέπεις το σύρσιμο πλαισίου κοντά σε μια μαύρη τρύπα έχει αποδειχθεί εξαιρετικά δύσκολο.

Πιο κοντά στο σπίτι, οι δορυφόροι έχουν μετρήσει μικροσκοπικές εκδοχές του φαινομένου γύρω από τη Γη. Κοντά στις μαύρες τρύπες, το φαινόμενο θα πρέπει να είναι τεράστιο αλλά και θαμμένο μέσα στο χάος, με αποτέλεσμα να είναι δύσκολο να παρατηρηθεί.

Αυτή η μελέτη περιορίζει αυτό το χάος χρησιμοποιώντας τα υπολείμματα του αστεριού ως ιχνηλάτη. Καθώς ο δίσκος προσαύξησης προχωρούσε, η προβαλλόμενη περιοχή του άλλαζε, ρυθμίζοντας τις ακτίνες Χ. Καθώς ο πίδακας ταλαντευόταν προς και μακριά από τη Γη, η φωτεινότητα του ραδιοφώνου του ανέβαινε και έπεφτε. Μαζί, εντόπισαν την αόρατη γεωμετρία του στρεβλωμένου χωροχρόνου.

«Αυτό είναι ένα πραγματικό δώρο για τους φυσικούς καθώς επιβεβαιώνουμε τις προβλέψεις που έγιναν πριν από περισσότερο από έναν αιώνα», είπε ο Inserra. "Όχι μόνο αυτό, αλλά αυτές οι παρατηρήσεις μας λένε επίσης περισσότερα για τη φύση των TDEs - όταν ένα αστέρι τεμαχίζεται από τις τεράστιες βαρυτικές δυνάμεις που ασκούνται από μια μαύρη τρύπα."

Η ανάλυση υποδηλώνει επίσης ότι η εμπλεκόμενη μαύρη τρύπα μπορεί να μην περιστρέφεται ιδιαίτερα γρήγορα. Η μοντελοποίηση προτείνει μια σχετικά μέτρια περιστροφή, η οποία αμφισβητεί τις υποθέσεις ότι οι δραματικοί πίδακες απαιτούν πάντα ακραία περιστροφή. Αυτή η εικόνα τροφοδοτεί μια ευρύτερη συζήτηση σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο οι μαύρες τρύπες εκτοξεύουν πίδακες — είτε η περιστροφή, τα μαγνητικά πεδία ή η δομή του δίσκου έχουν μεγαλύτερη σημασία.

Υπάρχει επίσης ένα μεγαλύτερο πακέτο. Τα γεγονότα παλιρροϊκής διακοπής εξελίσσονται σε μήνες, όχι σε χιλιετίες. Αυτό τους κάνει σπάνιες πιθανότητες να δουν τα συστήματα μαύρης τρύπας να αλλάζουν σε κάτι σχεδόν σε πραγματικό χρόνο. Οι συγγραφείς υποστηρίζουν ότι οι μελλοντικές ανιχνεύσεις ρυθμικών τρεμοπαιγμάτων με ακτίνες Χ θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως ειδοποιήσεις, προτρέποντας την ταχεία ραδιοφωνική παρακολούθηση για να πιάσει περισσότερες δίνες του χωροχρόνου σε δράση.

Δείχνοντας ότι μια μαύρη τρύπα μπορεί κυριολεκτικά να σύρει τον χωροχρόνο μαζί της, το AT2020afhd μετατρέπει μια αφηρημένη πρόβλεψη σε παρατηρούμενο φαινόμενο. Υπενθυμίζει επίσης στους αστρονόμους ότι το σύμπαν εξακολουθεί να κρύβει μερικές από τις πιο παράξενες συμπεριφορές του σε στιγμές κοσμικής βίας.

Όπως το έθεσε ο Inserra, αναλογιζόμενος την ανακάλυψη, «Είναι μια υπενθύμιση για εμάς, ειδικά κατά τη διάρκεια της εορταστικής περιόδου καθώς κοιτάμε τον νυχτερινό ουρανό με έκπληξη, ότι έχουμε στη διάθεσή μας την ευκαιρία να εντοπίσουμε ολοένα και πιο εξαιρετικά αντικείμενα σε όλες τις παραλλαγές και τις γεύσεις που έχει δημιουργήσει η φύση».

Τα ευρήματα δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Science Advances .