Το πιο ογκώδες αντικείμενο στο Σύμπαν—Πώς δημιουργήθηκε;

Ο γαλαξίας που είναι γνωστός ως M87 δεν μοιάζει πολύ. Σε αντίθεση με τους όμορφους σπειροειδείς γαλαξίες (συμπεριλαμβανομένου του Γαλαξία), ο M87 εμφανίζεται ως μια πορτοκαλί σταγόνα αστεριών μέσω των τηλεσκοπίων. Το μόνο αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό του είναι η μεγάλη ροή αερίου που προέρχεται από το γαλαξιακό κέντρο.

Ωστόσο, η πηγή αυτού του πίδακα απέχει πολύ από το να είναι πεζή:Είναι μια μαύρη τρύπα 6,6 δισεκατομμυρίων φορές τη μάζα του Ήλιου. Κανένα άλλο γνωστό αντικείμενο δεν είναι τόσο μαζικό - αυτή η μαύρη τρύπα από μόνη της ξεπερνά ολόκληρα αστρικά σμήνη και μικρούς γαλαξίες. Ακόμη και σε σύγκριση με άλλες τεράστιες μαύρες τρύπες, όπως αυτή στην καρδιά του Γαλαξία, το τέρας του M87 είναι τεράστιο.

Πώς όμως αυτές οι μαύρες τρύπες έγιναν τόσο ογκώδεις; Η απλή απάντηση:Ακριβώς όπως οι μεγάλοι γαλαξίες μεγάλωσαν με σύγκρουση και συγχώνευση (όπως περιγράφεται στον πρόσφατο Nautilus του Steve Nadis κομμάτι, «The Stories That Galaxies Tell»), οι μεγαλύτερες μαύρες τρύπες σχηματίζονται όταν συγχωνεύονται ζεύγη μικρότερων μαύρων οπών. Η προσπάθεια να κατανοήσουμε την ιστορία με μεγαλύτερη λεπτομέρεια ωθεί τόσο τα θεωρητικά όσο και τα παρατηρητικά μας όρια:Οι συγκρουόμενες μαύρες τρύπες απαιτούν πολύπλοκες προσομοιώσεις υπολογιστή για κατανόηση και εξελιγμένες μηχανές για ανίχνευση. Η μελέτη της συνένωσης της μαύρης τρύπας μπορεί να είναι ο καλύτερος τρόπος για να κατανοήσουμε τα αποτελέσματα της παράλογα ισχυρής βαρύτητας, αποκαλύπτοντας δυνητικά εντελώς νέα φαινόμενα.

Οι μαύρες τρύπες φαίνεται να έχουν στενή σχέση με τους γαλαξίες-ξενιστές τους, υπονοώντας την κοινή εξελικτική τους ιστορία. Το μέγεθος μιας μαύρης τρύπας, για παράδειγμα, φαίνεται να αντικατοπτρίζει το μέγεθος της κεντρικής περιοχής του γαλαξία της. Οι αστρονόμοι δεν αναμένουν να δουν «υπερ-μεγάλες» μαύρες τρύπες—αυτές με μάζα εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερες από τον Ήλιο—σε μικροσκοπικούς γαλαξίες ή το αντίστροφο (αν και τουλάχιστον μία φαίνεται να παραβιάζει τον κανόνα για άγνωστους λόγους).

Δεδομένου ότι οι μεγαλύτεροι γαλαξίες σχηματίστηκαν από συγχωνεύσεις μικρότερων γαλαξιών, οι ερευνητές υποπτεύονται ότι το ίδιο ισχύει και για τις κεντρικές μαύρες τρύπες τους. Οι γαλαξίες που δείχνουν τα σημάδια πρόσφατων συγκρούσεων, όπως ο NGC 6240, μερικές φορές έχουν επίσης δύο προφανείς υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, που υποστηρίζουν την ιδέα. Αλλά η διαδικασία μετατροπής δύο μαύρων τρυπών σε μία διαρκεί πολλές χιλιετίες, πολύ περισσότερο από ό,τι οι άνθρωποι έχουν ασχοληθεί με την αστρονομία. Έτσι, ο μόνος τρόπος που έχουμε αυτήν τη στιγμή για να κατανοήσουμε τις κοντινές συναντήσεις μαύρων τρυπών είναι με τη θεωρία.

Τα θεωρητικά μοντέλα δείχνουν ότι κατά τη διάρκεια γαλαξιακών συγχωνεύσεων, οι μαύρες τρύπες πέφτουν σε αμοιβαία τροχιά, ξεκινώντας με ευρύ διαχωρισμό και σταδιακά κινούνται σπειροειδή η μία προς την άλλη. Η Γενική Σχετικότητα προβλέπει ότι δύο μαύρες τρύπες θα εκπέμπουν ενέργεια μακριά με τη μορφή βαρυτικής ακτινοβολίας καθώς πλησιάζουν όλο και πιο κοντά, μέχρι τελικά να συνενωθούν.

Ακριβώς όπως τα ταχέως μεταβαλλόμενα ηλεκτρικά ρεύματα παράγουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία - με τη μορφή ραδιοκυμάτων - η κίνηση των μαζών μπορεί να παράγει βαρυτική ακτινοβολία. Ωστόσο, η βαρυτική ακτινοβολία είναι πολύ πιο δύσκολο να ανιχνευθεί από τα ραδιοκύματα, επειδή η βαρύτητα είναι πολύ πιο αδύναμη από την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Τα βαρυτικά κύματα είναι πιθανώς τριγύρω, αλλά περνούν από μέσα μας απαρατήρητα. Το Νόμπελ Φυσικής του 1993 απονεμήθηκε στους Russell Hulse και Joseph Taylor για την παρατήρησή τους ότι τα δυαδικά πάλσαρ συμπεριφέρονταν ακριβώς όπως είχε προβλεφθεί εάν εκπέμπουν βαρυτική ακτινοβολία. Αλλά η άμεση ανίχνευση εξακολουθεί να μας διαφεύγει.

Ακόμη και η Γη εκπέμπει βαρυτικά κύματα καθώς περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο, αν και η ποσότητα της ενέργειας που χάνεται είναι ανεπαίσθητη κατά τη διάρκεια ζωής του Ηλιακού Συστήματος. Οι δυαδικές μαύρες τρύπες είναι ένα διαφορετικό θέμα:Μόλις είναι σχετικά κοντά, αποβάλλουν μια τεράστια ποσότητα ενέργειας, φέρνοντάς τες πιο κοντά σε κάθε τροχιά. (Τα δυαδικά μαύρα αστέρια πιστεύεται ότι εκπέμπουν περισσότερη βαρυτική ενέργεια καθώς συγχωνεύονται από ό,τι τα συνηθισμένα αστέρια με τη μορφή UV, IR και ορατού φωτός κατά τη διάρκεια ολόκληρης της ζωής τους δισεκατομμυρίων ετών.) Τελικά οι ορίζοντες γεγονότων τους θα αγγίξουν και το σύστημα εκπέμπει πολύ περισσότερα βαρυτικά κύματα σε μια φάση που είναι γνωστή ως "δακτύλιος-κάτω", καθώς η άμορφη, ανομοιόμορφη συγχωνευμένη μάζα γίνεται μια ομαλή, απόλυτα συμμετρική μαύρη τρύπα.

Δυστυχώς, αυτή η ομαλή μαύρη τρύπα δεν περιέχει πληροφορίες για το ογκώδες παρελθόν της:Δεν μπορούμε να καταλάβουμε κοιτάζοντας μια μαύρη τρύπα εάν δημιουργήθηκε από μια συγχώνευση ή αν (για να αναφέρω τη διάσημη θεωρητική φυσική Lady Gaga) γεννήθηκε έτσι. Ωστόσο, όλα τα άβολα, οι λανθασμένες ευθυγραμμίσεις, η πολυπλοκότητα του τι συνέβη κατά τη σύγκρουση κωδικοποιούνται στο σήμα βαρυτικού κύματος.

Και γι' αυτό το σήμα του βαρυτικού κύματος είναι τόσο σημαντικό:Ίσως είναι το καλύτερο μέσο που έχουμε για να μελετήσουμε τις συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών - υπό τον όρο ότι μπορούμε να πιάσουμε τη συνένωση εν τω χρόνω. Αυτός είναι ο στόχος πειραμάτων όπως το επίγειο Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων συμβολόμετρου λέιζερ (LIGO), το οποίο ολοκληρώθηκε το 2010 και έχει προγραμματιστεί να ξεκινήσει ξανά, με καλύτερους ανιχνευτές, το 2014. και την προβλεπόμενη διαστημική κεραία συμβολόμετρου λέιζερ (LISA), η οποία δυστυχώς έχει καθυστερήσει και έχει μειωθεί δραματικά λόγω των δημοσιονομικών προβλημάτων. Τα παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων που βασίζονται στο έδαφος και στο διάστημα έχουν συμπληρωματικές εργασίες σε αυτήν την αποστολή:οι τροχιακές εγκαταστάσεις θα είναι σε θέση να ανιχνεύουν ακτινοβολία από δυαδικά συστήματα μαύρης τρύπας μακριά από τη συνένωση, ενώ τα γήινα πειράματα θα μπορούσαν να πιάσουν τις τελευταίες στιγμές πριν από τη συγχώνευση, την ίδια τη σύγκρουση και το ring-down.

Οι θεωρητικοί, εν τω μεταξύ, δεν περιμένουν απλώς να δουν τα αποτελέσματα, αλλά βελτιώνουν τα μοντέλα τους αυτής της διαδικασίας, χαρακτηρίζοντας τη μορφή που πρέπει να πάρουν τα βαρυτικά κύματα με βάση τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Αυτό είναι σημαντικό για δύο λόγους. Πρώτον, μπορεί να είναι δυνατό να δούμε τη βαρυτική ακτινοβολία από μια σύγκρουση μαύρης τρύπας που είναι κρυμμένη από τα συνηθισμένα τηλεσκόπια. Δεύτερον, εάν το σήμα που παρατηρείται στο LIGO ή στο LISA αποκλίνει από τις προβλέψεις, η θεωρία θα μπορούσε να μας πει εάν συμβαίνει κάτι νέο και ενδιαφέρον.

Οι αστρονόμοι δεν έχουν τρόπο να διερευνήσουν μέσα στις μαύρες τρύπες ή ακόμα και να δουν κοντά στους ορίζοντες γεγονότων τους. Αλλά η συγχώνευση μαύρων οπών θα μπορούσε να αποκαλύψει τις λειτουργίες της βαρύτητας στο πιο ακραίο της — και να μας πει ακριβώς πώς ξεκίνησαν οι μεγαλύτερες μαύρες τρύπες στο Σύμπαν.

Ο Μάθιου Φράνσις είναι φυσικός, συγγραφέας επιστημών, δημόσιος ομιλητής, εκπαιδευτικός και συχνά φορώντας καπέλα. Αυτήν τη στιγμή γράφει ένα βιβλίο για την κοσμολογία με τίτλο εργασίας  Back Roads, Dark Skies:A Cosmological Journey.