6η Οκτώβρη 2020: για μια ακόμα φορά η Αστροφυσική στην πρώτη θέση των Νόμπελ Φυσικής! Η μέρα που οι Αστροφυσικοί ξεχύθηκαν στα μέσα κοινωνικής δικτύωσης για να πανηγυρίσουν. Για άλλη μια φορά. Και φυσικά, με το αγαπημένο θέμα όλων, τις μελανές οπές ή μαύρες τρύπες.
Από τα αγαπημένα μου τραγούδια των MUSE, το “Starlight”, από το άλμπουμ “Black Holes and Revelations”, μου έρχεται στο μυαλό κάθε φορά που ακούω, διαβάζω ή μιλάω για μαύρες τρύπες. Ειδικά στο σημείο που λέει: “our hopes and expectations, black holes and revelations”.
Ήταν ο Roger Penrose το 1965 που με το μαθηματικό δαιμόνιο του αποκάλυψε τη μυστηριώδη φύση γύρω από τις μαύρες τρύπες. Πώς; Πήρε τις εξισώσεις της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας και απέδειξε μαθηματικά ότι στο Σύμπαν υπάρχουν αντικείμενα με τεράστια μάζα που έλκουν τα πάντα γύρω τους και που ούτε το ίδιο το φως δεν μπορεί να ξεφύγει. Αυτό που πολύ απλά ονομάζουμε μαύρη τρύπα.
Οι αστροφυσικοί πιστεύουμε ότι στο κέντρο κάθε γαλαξία υπάρχει μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα. Το πώς βρέθηκε εκεί είναι ακόμα αναπάντητο ερώτημα.
Το 1915 ο Albert Einstein εκδίδει την γενική θεωρία της σχετικότητας, χωρίς όμως να δώσει μαθηματική λύση. Προσέγγισε το πρόβλημα αναλυτικά, δίνοντας μια κατά προσέγγιση λύση στην ευφυή γενική θεωρία της σχετικότητας. Μερικούς μήνες μετά τον Einstein, ο φυσικός Karl Schwarzschild, καταταχθείς στο στρατό λόγω του Δευτέρου Παγκοσμίου Πολέμου, έδωσε τη λύση στις εξισώσεις της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, για ένα συμμετρικό αντικείμενο το οποίο δεν περιστρέφεται.
Photo credits: NSF
Ο Penrose απέδειξε πως η ύλη γύρω από ένα αντικείμενο με τεράστια μάζα θα έχει πάντα την ίδια κατάληξη, θα χαθεί σε μια μοναδικότητα, ένα σημείο στο χώρο όπου ο χώρος εκμηδενίζεται και τίποτα δε μπορεί να ξεφύγει από την έλξη του. Η ιδέα του ήταν ότι η ύλη κινείται πάνω σε επιφάνειες οι οποίες είναι δεμένες βαρυτικά με τη μαύρη τρύπα. Στα ελληνικά θα το μεταφράζαμε ελεύθερα ως “παγιδευμένες επιφάνειες” (trapped surfaces).
Φανταστείτε, για παράδειγμα, ότι έχετε ένα μπουκάλι και βάζετε στο στόμιο ένα χωνί. Ρίξτε νερό. Το νερό θα γλείψει την επιφάνεια από το χωνί και θα κυλήσει μέσα στο μπουκάλι. Με τον ίδιο τρόπο η ύλη γύρω από τη μαύρη τρύπα κινείται πάνω σε αυτές τις επιφάνειες, σαν να κυλάει πάνω σε ένα αόρατο χωνί και πέφτει μέσα στη μαύρη τρύπα.
Αυτή η ιδέα των παγιδευμένων επιφανειών έδωσε στον Penrose τη δυνατότητα να δημιουργήσει τα μαθηματικά εργαλεία και να αποδείξει ότι από τη γενική θεωρία της σχετικότητας απορρέει η ύπαρξη της μαύρης τρύπας σαν “οντότητα” στο Σύμπαν. Έδειξε ότι όποια και να είναι αυτή η επιφάνεια, η κατάληξη της ύλης και του ίδιου του φωτός είναι μία: να χαθούν σε μια μοναδικότητα με άπειρη πυκνότητα όπου ο χώρος και ο χρόνος σταματούν. Καλά όλα με τις θεωρίες. Υπάρχουν οι μαύρες τρύπες στη φύση; Κι αν υπάρχουν, πού βρίσκονται; Μπορούμε να τις παρατηρήσουμε; Και πώς;
Ένας τρόπος να δημιουργήσεις μια μαύρη τρύπα στο Σύμπαν είναι από την εξέλιξη ενός αστεριού, με μάζα πολύ μεγαλύτερη από αυτή του Ήλιου μας. Τι εννοούμε με εξέλιξη; Ότι όσο μεγαλώνει (σε ηλικία), καταναλώνει όλη την πρώτη ύλη που έχει για να παράγει ενέργεια (φως, όπως το φως του Ήλιου μας) και στο τέλος της ζωής του η βαρύτητα είναι τόσο μεγάλη που η ύλη καταρρέει σε μια μοναδικότητα. Αυτή η μοναδικότητα αρχίζει να έλκει τα πάντα γύρω της, ακόμα και το ίδιο το φως. Εξού και το όνομα μαύρη τρύπα.
Photo credits: Keck/UCLA Galaxy Center Group
Οι αστροφυσικοί πιστεύουμε ότι στο κέντρο κάθε γαλαξία υπάρχει μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα. Το πώς βρέθηκε εκεί είναι ακόμα αναπάντητο ερώτημα. Με διαρκείς μελέτες μακρινών αλλά και των πιο κοντινών μας γαλαξιών, όπως ο δικός μας Γαλαξίας, προσπαθούμε να κατανοήσουμε αν όντως υπάρχει μια μαύρη τρύπα στο κέντρο κάθε γαλαξία, ή περισσότερες, ή τι υπάρχει τέλος πάντων. Αυτό προσπάθησαν να κάνουν και οι Reinhard Genzel και Andrea Ghez με τις επιστημονικές ομάδες που διευθύνουν, να αποκαλύψουν τι συμβαίνει στο κέντρο του Γαλαξία μας.
Το κέντρο του Γαλαξία μας βρίσκεται 26 χιλιάδες έτη φωτός μακριά από τη Γη, δηλαδή το φως από το κέντρο του κάνει 26.000 χρόνια να φτάσει σε εμάς. Για να μπορέσουμε να δούμε στο κέντρο του Γαλαξία μας πρέπει να ζουμάρουμε τόσο πολύ με τα τηλεσκόπιά μας ώστε να μπορέσουμε να δούμε πως η ύλη συμπεριφέρεται γύρω από το κέντρο του, τον Sagitarius A* (Sgr A*). Στην περιοχή γύρω από τον Sgr A* υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός αστεριών. Οι Genzel και Ghez ακολούθησαν αυτά τα αστέρια στρέφοντας τα πανίσχυρα τηλεσκόπια VLT (Chile) και Keck (Hawaii) στο κέντρο του Γαλαξία μας. Παρατηρώντας και καταγράφοντας τις θέσεις αυτών των αστέρων κατάφεραν να χαρτογραφήσουν τις τροχιές τους. Και απέδειξαν ότι τα αστέρια αυτά κινούνται γύρω από ένα βαρυτικό κέντρο, ένα σημείο στο χώρο με τεράστια μάζα.
Το κοντινότερο αστέρι, ο S2, κάνει μια περιφορά γύρω από τον Sgr A* κάθε 16 χρόνια και έτσι μπόρεσαν να μελετήσουν την τροχιά του και να υπολογίσουν τη μάζα του Sgr A* σε περίπου 4 εκατομμύρια ηλιακές μάζες (4 εκατομμύρια φορές όση η μάζα του Ήλιου μας). Το αν αυτό το υπερμαζικό αντικείμενο είναι μαύρη τρύπα ή όχι θα το δείξουν μελλοντικές παρατηρήσεις, με τηλεσκόπια όπως το Event Horizon Telescope που πήρε την πρώτη φωτογραφία μιας μαύρης τρύπας το 2019, αυτή στο κέντρο του γαλαξία M87.
Για αυτές λοιπόν τις ανακαλύψεις γύρω από τη φύση των πιο αινιγματικών αντικειμένων στο Σύμπαν, των μελανών οπών, κέρδισαν το Νόμπελ Φυσικής 2020 ο Roger Penrose (University of Oxford), σε θεωρητικό επίπεδο, και οι Reinhard Genzel (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, MPE) και Andrea Ghez (University of California, Los Angeles, UCLA), σε παρατηρησιακό. Δεν είναι απλά καταπληκτική η Αστροφυσική;
Πηγές:
