Βρήκαν Πράγματι οι Επιστήμονες Μαύρες Τρύπες;

ΜΟΙΑΖΕΙ με επιστημονική φαντασία—άλλοτε λαμπρά άστρα που γίνονται αόρατα επειδή τα συνέθλιψε η ίδια τους η βαρυτική δύναμη, και από τα οποία τίποτα, ούτε ακόμη και το φως, δεν μπορεί να διαφύγει. Πολλοί αστρονόμοι πιστεύουν ότι τέτοιες μαύρες τρύπες μπορεί να είναι κάτι κοινό στο σύμπαν. Θα θέλατε να μάθετε περισσότερα για αυτές; Η ιστορία αρχίζει στον όμορφο βόρειο αστερισμό που ονομάζεται Κύκνος.

Κύκνος Χ-1—Μια Μαύρη Τρύπα;

Από τη δεκαετία του 1960, οι αστρονόμοι έχουν εκδηλώσει ενδιαφέρον για μια ορισμένη περιοχή του αστερισμού του Κύκνου. Ορισμένα διαστημικά παρατηρητήρια που έχουν εκτοξευτεί και διαγράφουν τροχιά πάνω από την ατμόσφαιρα της Γης ανίχνευσαν μια ισχυρή πηγή ακτίνων Χ από αυτή την περιοχή, την οποία ονόμασαν Κύκνος Χ-1.

Οι επιστήμονες γνωρίζουν εδώ και καιρό ότι όσο πιο θερμό είναι ένα αντικείμενο, τόσο περισσότερη ενέργεια εκπέμπει σε μικρότερα, πιο ισχυρά ηλεκτρομαγνητικά μήκη κύματος. Αν θερμάνετε ένα κομμάτι σίδερο σε πολύ καυτό καμίνι, στην αρχή θα πυρώσει και θα κοκκινίσει και κατόπιν, καθώς το σίδερο γίνεται πιο καυτό, θα γίνει κίτρινο και λευκό. Από αυτή την άποψη, τα άστρα μοιάζουν με κομμάτια σίδερο. Τα σχετικά ψυχρά άστρα, με θερμοκρασία περίπου 3.000 Κ, είναι κοκκινωπά, ενώ ένα κίτρινο άστρο, σαν τον Ήλιο, έχει επιφανειακή θερμοκρασία που πλησιάζει τους 6.000 Κ.a Ωστόσο, όταν πρόκειται για αστρικά αέρια, χρειάζεται να ανεβεί η θερμοκρασία τους σε εκατομμύρια βαθμούς Κέλβιν για να εκπέμψουν την ακτινοβολία Χ που εκπέμπει ο Κύκνος Χ-1. Κανένα άστρο δεν έχει τέτοια επιφανειακή θερμοκρασία.

Εκεί που βρίσκεται ο Κύκνος Χ-1, οι αστρονόμοι ανακάλυψαν ένα άστρο με επιφανειακή θερμοκρασία περίπου 30.000 Κ—πραγματικά πολύ θερμό, αλλά ούτε κατά προσέγγιση τόσο ώστε να δικαιολογεί τις ακτίνες Χ. Αυτό το άστρο, το οποίο ταξινομήθηκε ως HDE 226868, υπολογίζεται ότι έχει μάζα 30 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ήλιου και απέχει 6.000 έτη φωτός από τη Γη. Αυτός ο υπεργίγαντας έχει ένα συνοδό, και οι δυο τους περιστρέφονται ο ένας γύρω από τον άλλον με περίοδο 5,6 ημερών, σαν να χορεύουν βαλς. Οι επιστήμονες υπολογίζουν ότι ο συνοδός απέχει μόνο λίγα εκατομμύρια χιλιόμετρα από το HDE 226868. Σύμφωνα με μερικές πηγές, αυτός ο συνοδός έχει περίπου δεκαπλάσια μάζα από εκείνη του Ήλιου. Αλλά συμβαίνει κάτι πολύ παράξενο με αυτόν το συνοδό—είναι αόρατος. Κανένα φυσιολογικό άστρο τέτοιου μεγέθους δεν μπορεί να είναι αόρατο σε αυτή την απόσταση από τη Γη. Ένα αντικείμενο με τόσο μεγάλη μάζα το οποίο φαίνεται να εκπέμπει ακτίνες Χ αλλά όχι ορατό φως είναι πιθανότατα μια μαύρη τρύπα, λένε οι επιστήμονες.

Ταξίδι σε μια Μαύρη Τρύπα

Φανταστείτε ότι μπορείτε να ταξιδέψετε στον Κύκνο Χ-1. Αν υποθέσουμε ότι όντως είναι μια μαύρη τρύπα, αυτό που θα βλέπατε μπορεί κάλλιστα να έμοιαζε με την εικόνα της σελίδας 17. Το μεγάλο άστρο είναι το HDE 226868. Ενώ αυτό το άστρο έχει διάμετρο εκατομμύρια χιλιόμετρα, η μαύρη τρύπα μπορεί να έχει διάμετρο περίπου 60 χιλιόμετρα. Η μικροσκοπική μαύρη κουκκίδα στο κέντρο της δίνης που σχηματίζουν τα ταχέως περιστρεφόμενα φωτεινά αέρια είναι ο ορίζοντας γεγονότων, ή αλλιώς η «επιφάνεια», της μαύρης τρύπας. Ωστόσο, δεν πρόκειται για στερεή επιφάνεια, αλλά μοιάζει περισσότερο με σκιά. Είναι το άκρο της περιοχής στην οποία η βαρύτητα γύρω από τη μαύρη τρύπα είναι τόσο ισχυρή ώστε ούτε το φως δεν είναι δυνατόν να διαφύγει. Πολλοί επιστήμονες θεωρούν ότι μέσα στον ορίζοντα, στο κέντρο της μαύρης τρύπας, υπάρχει ένα σημείο μηδενικού όγκου και άπειρης πυκνότητας, γνωστό ως μοναδικότητα, μέσα στο οποίο έχει εξαφανιστεί όλη η ύλη της μαύρης τρύπας.

Η μαύρη τρύπα απορροφά τα εξωτερικά στρώματα αερίου του άστρου-συνοδού της. Το αέριο του άστρου σχηματίζει ένα φωτεινό δίσκο καθώς στροβιλίζεται με αυξανόμενη ταχύτητα και θερμαίνεται από την τριβή γύρω από τη μαύρη τρύπα. Αυτός ο δίσκος υπερθερμασμένου αερίου παράγει ακτίνες Χ ακριβώς έξω από τη μαύρη τρύπα, καθώς το αέριο επιταχύνεται και αποκτά εξωπραγματικές ταχύτητες λόγω της έντονης βαρύτητας. Φυσικά, μόλις το αέριο πέσει μέσα στη μαύρη τρύπα, δεν μπορούν να διαφύγουν πια ούτε ακτίνες Χ ούτε οτιδήποτε άλλο.

Ο Κύκνος Χ-1 αποτελεί φαντασμαγορικό θέαμα, αλλά μην πλησιάζετε πολύ! Δεν είναι μόνο οι ακτίνες Χ θανατηφόρες αλλά και η βαρύτητά του. Στη Γη, όταν στέκεστε όρθιοι, η βαρυτική δύναμη που ασκείται στο κεφάλι σας διαφέρει ελάχιστα από εκείνη που ασκείται στα πόδια σας. Αυτή η διαφορά δημιουργεί μια μικρή μόνο έλξη την οποία δεν μπορείτε να αισθανθείτε. Ωστόσο, στον Κύκνο Χ-1 αυτή η μικρή διαφορά αυξάνεται 150 δισεκατομμύρια φορές, δημιουργώντας μια δύναμη που θα επιμήκυνε το σώμα σας, σαν να τραβούσαν κάποια αόρατα χέρια προς τη μια κατεύθυνση τα πόδια σας και προς την άλλη το κεφάλι σας!

Κύκνος Α—Μια Υπερμαζική Μαύρη Τρύπα;

Υπάρχει άλλη μια μυστηριώδης περιοχή στον αστερισμό του Κύκνου. Οπτικά, αυτή η περιοχή περιέχει μόνο το αχνό ίχνος ενός μακρινού γαλαξία, αλλά είναι μια από τις ισχυρότερες πηγές ραδιοκυμάτων στον ουρανό. Ονομάζεται Κύκνος Α και, από τότε που ανακαλύφτηκε πριν από 50 και πλέον χρόνια, προβληματίζει τους επιστήμονες.

Χρειάζεται να βασανίσουμε το μυαλό μας για να φανταστούμε την κλίμακα του Κύκνου Α. Ενώ ο Κύκνος Χ-1 βρίσκεται στο Γαλαξία μας και απέχει λίγες χιλιάδες έτη φωτός, ο Κύκνος Α υπολογίζεται ότι απέχει εκατοντάδες εκατομμύρια έτη φωτός. Μολονότι ο Κύκνος Χ-1 και ο ορατός συνοδός του απέχουν μεταξύ τους μόνο ένα λεπτό φωτός, οι θύσανοι που σχηματίζονται από τους δύο πίδακες ραδιοκυμάτων στον Κύκνο Α απέχουν μεταξύ τους εκατοντάδες χιλιάδες έτη φωτός.b Κάτι στο κέντρο του Κύκνου Α προφανώς εκτινάσσει αυτούς τους δυναμικούς πίδακες ενέργειας σε αντίθετες κατευθύνσεις επί εκατοντάδες χιλιάδες ίσως και εκατομμύρια χρόνια, σαν όπλο κοσμικών ακτίνων. Ραδιοχάρτες πολύ υψηλής ανάλυσης που απεικονίζουν το κέντρο του Κύκνου Α αποκαλύπτουν ότι, σε σύγκριση με τους πίδακες, αυτό το όπλο είναι πολύ μικρό σε μέγεθος, μικρότερο από ένα μήνα φωτός. Αν ταλαντευόταν όλο αυτόν τον καιρό, οι ακτίνες θα παραμορφώνονταν. Αλλά οι μυστηριώδεις πίδακες είναι τελείως ευθύγραμμοι, σαν να υπήρχε ένα τεράστιο γυροσκόπιο που σταθεροποιεί το όπλο το οποίο τους εκτινάσσει.

Τι θα μπορούσε να συμβαίνει; «Από τις δεκάδες ιδέες που είχαν διατυπωθεί ως τις αρχές της δεκαετίας του 1980 για να εξηγήσουν την κύρια μηχανή», γράφει ο καθηγητής Κιπ Σ. Θορν, «μόνο μία ανέφερε ως αιτία την ύπαρξη ενός εξαιρετικού γυροσκοπίου με μεγάλη διάρκεια ζωής, με μέγεθος μικρότερο από ένα μήνα φωτός και με ικανότητα να δημιουργεί ισχυρούς πίδακες. Αυτή η μοναδική ιδέα αναφερόταν σε μια γιγαντιαία, περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα».

Άλλες Υποψήφιες Μαύρες Τρύπες

Το 1994 το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Χαμπλ που μόλις είχε επισκευαστεί έριξε μια κοντινή ματιά στο «γειτονικό» γαλαξία Μ87, ο οποίος υπολογίζεται ότι απέχει 50 εκατομμύρια έτη φωτός. Με τα εκσυγχρονισμένα οπτικά του όργανα, το Χαμπλ ανίχνευσε μια δίνη αερίων στο κέντρο του Μ87 η οποία στροβιλιζόταν γύρω από κάποιο αντικείμενο με την εκπληκτική ταχύτητα των 2 εκατομμυρίων χιλιομέτρων την ώρα. Τι θα μπορούσε να κάνει τα αέρια να κινούνται με τέτοια ταχύτητα; Υπολογισμοί έδειξαν ότι το αντικείμενο μέσα στη δίνη πρέπει να έχει μάζα τουλάχιστον δύο δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ήλιου. Αλλά αυτό το αντικείμενο είναι στριμωγμένο σε ένα «μικροσκοπικό» χώρο ίσο με το χώρο που καταλαμβάνει το ηλιακό μας σύστημα. Το μόνο που μπορούν να φανταστούν οι επιστήμονες ότι πιθανώς θα ταίριαζε σε αυτή την περιγραφή είναι μια υπερμαζική μαύρη τρύπα.

Υποψήφιες μαύρες τρύπες έχουν ανιχνευτεί τώρα στο κέντρο αρκετών κοντινών γαλαξιών, περιλαμβανομένου του άμεσου γείτονά μας, του γαλαξία της Ανδρομέδας, που απέχει μόνο δύο εκατομμύρια έτη φωτός περίπου. Αλλά ίσως υπάρχει μια γιγάντια μαύρη τρύπα ακόμη πιο κοντά μας από ό,τι η Ανδρομέδα! Πρόσφατες παρατηρήσεις υποδεικνύουν ότι μια τεράστια μαύρη τρύπα μπορεί να βρίσκεται στο κέντρο του δικού μας Γαλαξία. Κάποιο αντικείμενο, που καταλαμβάνει μικρό χώρο και υπολογίζεται ότι έχει μάζα 2,4 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ήλιου, κάνει τα άστρα που βρίσκονται κοντά στο κέντρο του γαλαξία μας να περιστρέφονται γύρω του με τρομακτικές ταχύτητες. Ο φυσικός Θορν σημειώνει: «Τα στοιχεία, τα οποία συσσωρεύτηκαν σταδιακά στη δεκαετία του 1980, υποδεικνύουν ότι τέτοιες τρύπες βρίσκονται όχι μόνο στο κέντρο των περισσοτέρων κβάζαρ και ραδιογαλαξιών αλλά και στο κέντρο των περισσότερων μεγάλων, κανονικών γαλαξιών, όπως είναι ο δικός μας Γαλαξίας και ο γαλαξίας της Ανδρομέδας».

Έχουν βρει πράγματι οι επιστήμονες μαύρες τρύπες; Πιθανώς. Σίγουρα έχουν βρει κάποια πολύ παράξενα αντικείμενα στον αστερισμό του Κύκνου και αλλού, τα οποία προς το παρόν μπορούν να εξηγηθούν πολύ εύκολα ως μαύρες τρύπες. Αλλά νέα δεδομένα μπορούν επίσης να θέσουν υπό αμφισβήτηση κοινώς αποδεκτές θεωρίες.

Πριν από 3.500 και πλέον χρόνια, ο Θεός ρώτησε τον Ιώβ: «Μήπως γνωρίζεις τα νομοθετήματα των ουρανών;» (Ιώβ 38:33) Παρά την εντυπωσιακή πρόοδο της επιστήμης, αυτό το ερώτημα παραμένει επίκαιρο. Εξάλλου, μόλις ο άνθρωπος αρχίζει να νομίζει ότι κατανοεί το σύμπαν, εμφανίζεται κάποια νέα, απρόσμενη παρατήρηση που αναστατώνει τις προσεκτικά δομημένες θεωρίες του. Στο μεταξύ, μπορούμε να κοιτάζουμε τους αστερισμούς με θαυμασμό και να χαιρόμαστε την ομορφιά τους!

[Υποσημειώσεις]

[Πλαίσιο στη σελίδα 16, 17]

Πώς Δημιουργείται μια Μαύρη Τρύπα;

Η ΕΠΙΣΤΗΜΗ σήμερα κατανοεί ότι τα άστρα λάμπουν εξαιτίας μιας αδιάκοπης πάλης μεταξύ της βαρύτητας και των πυρηνικών δυνάμεων. Αν η βαρύτητα δεν συμπίεζε τα αέρια βαθιά στο εσωτερικό του άστρου, δεν θα μπορούσε να λάβει χώρα πυρηνική σύντηξη. Από την άλλη, όταν δεν υπάρχει πυρηνική σύντηξη για να αντισταθεί στην έλξη της βαρύτητας, κάποια πολύ παράξενα φαινόμενα μπορούν να συμβούν στα άστρα.

Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι όταν άστρα στο μέγεθος περίπου του ήλιου μας εξαντλήσουν τα πυρηνικά τους καύσιμα, δηλαδή το υδρογόνο και το ήλιο, η βαρύτητα τα συμπιέζει και τα μετατρέπει σε θερμά στερεά κατάλοιπα που έχουν περίπου το μέγεθος της γης μας και ονομάζονται λευκοί νάνοι. Ένας λευκός νάνος μπορεί να έχει μάζα όση και ο ήλιος, αλλά η μάζα του είναι συμπιεσμένη σε χώρο ένα εκατομμύριο φορές μικρότερο.

Η φυσιολογική ύλη αποτελείται ως επί το πλείστον από κενό χώρο, εφόσον σχεδόν όλη η μάζα κάθε ατόμου βρίσκεται σε ένα μικροσκοπικό πυρήνα ο οποίος περιβάλλεται από ένα πολύ μεγαλύτερο νέφος ηλεκτρονίων. Αλλά μέσα σε ένα λευκό νάνο, η βαρύτητα συμπιέζει το νέφος των ηλεκτρονίων και κάνει τον όγκο του πολύ μικρότερο από ό,τι ήταν προηγουμένως, συρρικνώνοντας το άστρο σε μέγεθος πλανήτη. Στα άστρα που έχουν περίπου το μέγεθος του ήλιου μας, σε αυτό το σημείο υπάρχει μια εξισορρόπηση ανάμεσα στη βαρύτητα και στις δυνάμεις των ηλεκτρονίων, η οποία αποτρέπει οποιαδήποτε περαιτέρω συμπίεση.

Αλλά τι γίνεται με τα άστρα που έχουν περισσότερη βαρύτητα από τον ήλιο; Στα άστρα που έχουν μάζα πάνω από 1,4 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του ήλιου, η δύναμη της βαρύτητας είναι τόσο μεγάλη ώστε το νέφος των ηλεκτρονίων εξαφανίζεται εξαιτίας της συμπίεσης. Τότε τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια συγχωνεύονται για να σχηματίσουν νετρόνια. Τα νετρόνια δεν δέχονται περισσότερη συμπίεση, υπό την προϋπόθεση ότι η βαρύτητα δεν είναι πάρα πολύ ισχυρή. Αντί να δημιουργηθεί ένας λευκός νάνος σε μέγεθος πλανήτη, προκύπτει ένας αστέρας νετρονίων σε μέγεθος μικρού αστεροειδούς. Οι αστέρες νετρονίων αποτελούνται από την πιο συμπαγή μορφή ύλης που γνωρίζουμε στο σύμπαν.

Τι γίνεται, όμως, αν αυξηθεί περισσότερο η βαρύτητα; Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι σε άστρα που έχουν μάζα περίπου τρεις φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του ήλιου η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή ώστε δεν μπορούν να της αντισταθούν τα νετρόνια. Καμιά μορφή ύλης γνωστή στους φυσικούς δεν μπορεί να αντισταθεί στη διαρκώς αυξανόμενη δύναμη όλης αυτής της βαρύτητας. Φαίνεται ότι η σφαίρα νετρονίων που έχει το μέγεθος αστεροειδούς θα συμπιεζόταν και δεν θα γινόταν απλώς μικρότερη σφαίρα, αλλά θα μηδενιζόταν ο όγκος της, φτάνοντας σε ένα σημείο που ονομάζεται μοναδικότητα, ή θα έπαιρνε τη μορφή ενός αντικειμένου το οποίο καμία θεωρία δεν έχει περιγράψει μέχρι σήμερα. Το άστρο προφανώς θα εξαφανιζόταν, αφήνοντας πίσω μόνο τη βαρύτητά του και μια μαύρη τρύπα στη θέση του. Η μαύρη τρύπα θα σχημάτιζε μια βαρυτική σκιά στη θέση του πρώην άστρου. Θα αποτελούσε μια περιοχή μέσα στην οποία η βαρύτητα θα ήταν τόσο ισχυρή ώστε τίποτα, ούτε ακόμη και το φως, δεν θα μπορούσε να διαφύγει.

[Εικόνες στη σελίδα 16]

Ο αστερισμός του Κύκνου περιλαμβάνει, μεταξύ άλλων, το Νεφέλωμα της Βόρειας Αμερικής (1) και το Νεφέλωμα της Δαντέλας (2). Ο Κύκνος Χ-1 (3) βρίσκεται στη μέση του λαιμού του κύκνου

Κύκνος

[Ευχαριστίες]

Tony and Daphne Hallas/Astro Photo

Tony and Daphne Hallas/Astro Photo

[Εικόνες στη σελίδα 17]

Θεωρητική Απεικόνιση του Κύκνου Χ-1

Οι μαύρες τρύπες ανιχνεύονται μέσω της επίδρασής τους σε άλλα σώματα. Αυτή η εικόνα δείχνει αέρια από κάποιο άστρο να έλκονται μέσα σε μια μαύρη τρύπα

Καλλιτεχνική απεικόνιση μιας μαύρης τρύπας (μέσα στο κόκκινο ορθογώνιο), και μεγέθυνση (κάτω)

[Ευχαριστία για την προσφορά της εικόνας στη σελίδα 14]

Αϊνστάιν: U.S. National Archives photo