“Αποκωδικοποιώντας τα μυστικά των μελανών οπών” από το άρθρο της αστροφυσικού Μαρίας Χαρίση.
Ζεύγη υπερμαζικών μελανών οπών (μαύρων τρυπών) και γαλαξιακή εξέλιξη
Οι υπερμαζικές μελανές οπές (supermassive black holes) είναι από το πιο εντυπωσιακά αντικείμενα στο Σύμπαν. Με μάζα από μερικά εκατομμύρια μέχρι και μερικά δισεκατομμύρια μεγαλύτερη από τη μάζα του Ήλιου, ζουν στα κέντρα των περισσότερων γαλαξιών, όπου και καταβροχθίζουν αστέρια, δημιουργούν εντυπωσιακούς πίδακες ακτινοβολίας και σωματιδίων που κινούνται με ιλιγγιώδεις ταχύτητες και γενικότερα παίζουν σημαντικό ρόλο στη ζωή του γαλαξία. Συχνά, αυτές οι υπερμαζικές μαύρες τρύπες, όπως και οι άνθρωποι, προτιμούν να ζουν με παρέα, πράγμα που συμβαίνει όταν οι γαλαξίες συγκρούονται και ενώνονται.
Το σύμπαν που παρατηρούμε σήμερα είναι πολύ διαφορετικό από την αρχική του μορφή. Οι σημερινοί γαλαξίες δημιουργήθηκαν μέσα από μια σειρά συγκρούσεων ανάμεσα σε μικρότερους γαλαξίες. Τέτοιες συγκρούσεις αναπόφευκτα δημιουργούν ζεύγη υπερμαζικών μαύρων τρυπών, καθώς η κάθε μαύρη τρύπα από τους δύο αρχικούς γαλαξίες καταλήγει στον τελικό γαλαξία. Με την πάροδο του χρόνου, οι δυο μελανές οπές αλληλεπιδρούν με τα αστέρια και το αέριο που συναντούν στον καινούργιο γαλαξία, φτάνουν σε σχετικά μικρές αποστάσεις και περιστρέφονται η μία γύρω από την άλλη.
Παρόλου που έχουμε παρατηρήσει δεκάδες γαλαξίες με δύο υπερμαζικές μαύρες τρύπες σε μεγάλες αποστάσεις η μία από την άλλη, και παρόλο που περιμένουμε ότι και τα ζεύγη στα οποία οι δυο μαύρες τρύπες έχουν φτάσει κοντά η μια στην άλλη πρέπει να είναι πολύ κοινά στο σύμπαν, ακόμα δεν έχουμε καταφέρει να τα βρούμε. Δεκαετίες προσπαθειών απέβησαν μάταιες, γιατί τα τηλεσκόπιά μας δεν έχουν την απαιτούμενη ανάλυση (διακριτική ικανότητα ή resolution στα αγγλικά) να φωτογραφίσουν έναν μακρινό γαλαξία και να διακρίνουν τις δύο μαύρες τρύπες, όταν αυτές βρίσκονται σε απόσταση μικρότερη από ένα έτος φωτός (δηλαδή και οι δυο μαύρες τρύπες πέφτουν στο ίδιο πίξελ).
Αν όντως οι μαύρες τρύπες μπορούν να φτάσουν σε τέτοιες μικρές αποστάσεις, πριν συγκρουστούν και γίνουν μια ακόμα μεγαλύτερη μαύρη τρύπα, εκπέμπουν βαρυτικά κύματα που μπορούν να μας οδηγήσουν στην ανίχνευσή τους.
Βαρυτικά κύματα και συστοιχίες χρονομέτρησης πάλσαρ
Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν προέβλεψε το 1915 την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων, τα οποία μόλις το 2015 (100 χρόνια αργότερα!) παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά. Είναι μικροί κυματισμοί στον χωροχρόνο και δημιουργούνται όταν αντικείμενα που έχουν μάζα επιταχύνονται. Αυτοί οι κυματισμοί διαδίδονται στον χωροχρόνο με την ταχύτητα του φωτός και τον συμπιέζουν ή τον επεκτείνουν απειροελάχιστα. Επειδή αυτοί οι κυματισμοί είναι τόσο μικροί, μπορούμε να τους εντοπίσουμε μόνο όταν ακραία αντικείμενα όπως οι μαύρες τρύπες περιστρέφονται σε ζεύγη, η μία γύρω από την άλλη, με μεγάλες ταχύτητες.
Η πρώτη μεγάλη επιτυχία στην αστρονομία βαρυτικών κυμάτων σημειώθηκε το 2015, όταν ανιχνευτές στο έδαφος κατάφεραν για πρώτη φορά να ανιχνεύσουν βαρυτικά κύματα από τη σύγκρουση μελανών οπών αστρικής προέλευσης, πολύ μικρότερες από τις υπερμαζικές. Αυτό άνοιξε ένα εντελώς διαφορετικό παράθυρο στις αστρονομικές παρατηρήσεις — ό,τι ξέραμε μέχρι τώρα για το σύμπαν ήταν από ηλεκτρομαγνητικές παρατηρήσεις, δηλαδή φως που κατέγραψαν τα τηλεσκόπιά μας. Όμως τώρα ανοίγεται μια νέα εποχή στην αστρονομία που μπορούμε με αυτούς τους κυματισμούς του χωροχρόνου να «ακούσουμε» ουράνια σώματα που μπορεί να μην εκπέμπουν φως.
Τα βαρυτικά κύματα από υπερμαζικές μελανές οπές, ωστόσο, δεν μπορούν να εντοπιστούν από τους ανιχνευτές στη Γη. Γι’ αυτά χρειαζόμαστε έναν ανιχνευτή γαλαξιακών διαστάσεων που βασίζεται στα πιο ακριβή κοσμικά ρολόγια, τα οποία μας παρέχει απλόχερα η φύση. Πρόκειται για ταχέως περιστρεφόμενα αστέρια νετρονίων πάλσαρ, που περιστρέφονται με περιόδους της τάξης των millisecond. Οι πάλσαρ είναι υπέρπυκνα αντικείμενα που απομένουν όταν μεγάλα αστέρια που φτάνουν στο τέλος της ζωής τους εκρήγνυνται ως υπερκαινοφανείς αστέρες. Αυτοί οι κοσμικοί φάροι περιστρέφονται εξαιρετικά γρήγορα, δημιουργώντας ακτίνες ραδιοκυμάτων που φαίνονται σαν να αναβοσβήνουν με καταπληκτική περιοδικότητα, όταν τους παρατηρούμε από τη Γη. Οι αστρονόμοι ανιχνεύουν αυτούς τους παλμούς με τεράστια ραδιοτηλεσκόπια.
Βαρυτικά κύματα που δημιουργούνται από ζεύγη υπερμαζικών μαύρων τρυπών επηρεάζουν τα σήματα των πάλσαρ. Με το να εκτείνουν και να συμπιέζουν τον χωροχρόνο, τα βαρυτικά κύματα επηρεάζουν τα χρονικά διαστήματα ανάμεσα σε διαδοχικούς παλμούς με μικρό αλλά προβλέψιμο τρόπο, καθυστερώντας μερικούς παλμούς και επιταχύνοντας άλλους. Αυτές οι χρονικές μετατοπίσεις συσχετίζονται για όλα τα ζεύγη πάλσαρ με τρόπο που εξαρτάται από το πόσο μακριά βρίσκονται δύο πάλσαρ στον ουρανό.
Ένα τέτοιο σήμα παρατηρήθηκε το 2023. Διεθνείς ομάδες επιστημόνων από την Αμερική, την Ευρώπη, την Ινδία, την Αυστραλία και την Κίνα ανακοίνωσαν ταυτόχρονα και ανεξάρτητα η κάθε μία ότι εντόπισαν σημαντικές ενδείξεις για την παρουσία βαρυτικών κυμάτων με ταλαντώσεις με περιόδους από μερικά χρόνια μέχρι δεκαετίες.
Αν και ήδη μάθαμε πολλά από το σήμα που ανιχνεύσαμε το 2023, αυτό είναι μόνο η αρχή γι’ αυτό το συναρπαστικό πεδίο. Θεωρητικά μοντέλα προβλέπουν ότι μέσα σε λίγα χρόνια, θα ανακαλύψουμε σήματα από σχετικά κοντινά ζεύγη υπερμεγεθών μελανών οπών που θα ανιχνευτούν ξεχωριστά πάνω από το υπόβαθρο. Θα μπορέσουμε δηλαδή να ξεχωρίσουμε έναν σολίστα αυτής της κοσμικής συμφωνίας. Αυτό θα μας επιτρέψει να μάθουμε ακόμα περισσότερα για τη δημιουργία και την εξέλιξη αυτών των διπλών συστημάτων, αλλά θα δημιουργήσει και εξαιρετικές προϋποθέσεις για παρατηρήσεις πολλαπλών αγγελιοφόρων.
Διαβάστε ολόκληρο το άρθρο της αστροφυσικού Μαρίας Χαρίση στον σύνδεσμο: