«Φωτίζοντας» τις μαύρες τρύπες – Γράφει ο Σταύρος Καρατζίκος

Τα τελευταία χρόνια υπάρχουν συναρπαστικές εξελίξεις γύρω από τις μαύρες τρύπες(μελανές οπές). Είναι ωστόσο δύσκολο να ορίσουμε με ακρίβεια την έννοια των μαύρων τρυπών. Γι’ αυτό ας προσπαθήσουμε με τη μορφή δέκα ερωταπαντήσεων να κάνουμε εύληπτη στο ευρύ κοινό την έννοια αυτή!

1)Τι ονομάζεται ταχύτητα διαφυγής;

Ταχύτητα διαφυγής είναι η ελάχιστη αρχική ταχύτητα που πρέπει να αναπτύξει ένα σώμα για να διαφύγει της βαρυτικής έλξης που του ασκεί ένα άλλο ουράνιο σώμα. Για παράδειγμα, ένα σώμα για να μπορέσει να διαφύγει από τη Γη, χωρίς η βαρυτική δύναμη να το τραβήξει πίσω, θα πρέπει να αναπτύξει ταχύτητα περίπου ίση με 11,2 km/s.Η αντίστοιχη ταχύτητα διαφυγής από τη Σελήνη είναι περίπου ίση με 2,37km/s και από τον Ήλιο 618km/s.

2)Πως δημιουργούνται οι μαύρες τρύπες;

Η κατάληξη της αστρικής εξέλιξης κάποιων άστρων με μεγαλύτερη μάζα από τον Ήλιο είναι η βαρυτική κατάρρευση και ο σχηματισμός μιας μαύρης τρύπας. Η κατάρρευση αυτή λαμβάνει χώρα, όταν τα άστρα εξαντλήσουν τα πυρηνικά τους «καύσιμα» και συνεχίζεται μέχρι να απειριστεί η πυκνότητά τους, εκτός και αν περιστρέφονται πολύ γρήγορα.

3)Πώς προέκυψε το όνομά τους;

Υποθέστε ότι είστε στην επιφάνεια ενός άστρου. Η δύναμη της βαρύτητας είναι ανάλογη της μάζας σας και του άστρου και αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασής σας από το κέντρο του άστρου. Αν το άστρο κατέρρεε και υποδιπλασιαζόταν η μεταξύ σας απόσταση χωρίς να μεταβληθεί η μάζα του, το βάρος σας θα τετραπλασιαζόταν. Όσο καταρρέει επομένως το άστρο, αυξάνεται δραματικά η ελκτική δύναμη του βάρους και ως αποτέλεσμα αυξάνεται και η ταχύτητα διαφυγής που πρέπει να αναπτύξετε για να υπερνικήσετε αυτή τη δύναμη. Κοντά στη μαύρη τρύπα το βαρυτικό πεδίο γίνεται τόσο ισχυρό που η απαιτούμενη ταχύτητα διαφυγής υπερβαίνει και την ταχύτητα του φωτός. Με άλλα λόγια από την τρύπα αυτή ούτε το φως μπορεί να ξεφύγει…Γι’ αυτό το λόγο η τρύπα αυτή είναι «μαύρη». Παρεμπιπτόντως, ο όρος μαύρη τρύπα εισήχθει το 1967 από τον Αμερικάνο Θεωρητικό Φυσικό Τζόν Γουίλερ⁵,αντικαθιστώντας την προγενέστερη ονομασία «παγωμένο άστρο».

4)Η μαύρη τρύπα αποτελείται από ύλη;

Αν κάποιος λάβει υπόψη τη συνήθη έννοια του όρου τρύπα, θα υποψιαζόταν ότι στο εσωτερικό τους δεν υπάρχει ύλη. Η ιδιαίτερα περίεργη όμως αυτή συμπαντική δομή είναι στην ουσία μια σφαίρα ύλης και όχι ένα κενό ύλης³.

5)Τι μπορεί να πάθει ένα αντικείμενο που πέφτει μέσα σε μια μαύρη τρύπα;

Οποιοδήποτε αντικείμενο έπεφτε μέσα σε μια μαύρη τρύπα θα διαμελιζόταν. Δεν θα διατηρούσε κανένα από τα αρχικά χαρακτηριστικά του, εκτός από τη μάζα του, την κατάσταση περιστροφής(στροφορμή) και το ηλεκτρικό του φορτίο². Η ύλη απορροφάται από τη μαύρη τρύπα και «εξομοιώνεται» με αυτήν³.

6)Πώς μπορούμε να τις ανιχνεύσουμε;

Τις μαύρες τρύπες δεν μπορούμε να τις δούμε με ένα οπτικό τηλεσκόπιο αλλά μπορούμε έμμεσα να τις ανιχνεύσουμε. Όταν μια ποσότητα ύλης απορροφάται από την μαύρη τρύπα και «εξομοιώνεται» με αυτήν εκπέμπει ακτίνες Χ. Επομένως μπορούμε να τις εντοπίσουμε ψάχνοντας για μέρη του Διαστήματος από όπου εκτοξεύονται μεγάλες ποσότητες ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας.

Μαύρες τρύπες μπορούν να ανιχνευθούν και με την παρατήρηση των διαταραχών στην κίνηση ενός φαινομενικά μονού άστρου. Το άστρο αυτό στην ουσία ανήκει σε ένα διπλό αστρικό σύστημα³.Στο σύστημα αυτό, ένα σύνηθες άστρο περιστρέφεται σε κοντινή τροχιά γύρω από ένα αόρατο σώμα, τη μαύρη τρύπα.

7)Η πρόσφατη ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων πώς συνδέεται με αυτές;

Η συγχώνευση δύο μαύρων τρυπών που κινούνται σε γειτονικές τροχιές μπορεί να οδηγήσει σε μεγάλη παραγωγή βαρυτικών κυμάτων. Η ανίχνευση των κυμάτων αυτών θα μας δώσει πληροφορίες για φαινόμενα στα οποία πιθανόν να συμμετέχουν και μαύρες τρύπες. Η «Αστρονομία των βαρυτικών κυμάτων» μπορεί να βοηθήσει στον εντοπισμό τους¹.

8)Τι ανακάλυψε ο Φυσικός Στήβεν Χόκινγκ για τις μαύρες τρύπες ;

Το 1974 ανακάλυψε θεωρητικά ότι οι μαύρες τρύπες «εξατμίζονται» εκμπέμποντας μια κβαντική ακτινοβολία, την ακτινοβολία Χώκινγκ³.Η εξάτμισή τους δεν έχει ανιχνευθεί ακόμη πειραματικά αλλιώς ο Χώκινγκ θα είχε πάρει εδώ και καιρό το βραβείο Νόμπελ⁴.

9)Yπάρχει μαύρη τρύπα στο γαλαξία μας;

Οι επιστήμονες έχουν αρκετές ενδείξεις που δείχνουν πως στο κέντρο του Γαλαξία και σε απόσταση 27000 ετών φωτός υπάρχει μια μαύρη τρύπα. Το όνομα που της έχει δοθεί είναι Τοξότης Α^*4.

10)Για ποιο λόγο μελετούν οι Φυσικοί τις μαύρες τρύπες;

Πολλοί θα αναρωτηθούν γιατί οι Θεωρητικοί Φυσικοί ασχολούνται σοβαρά με μια τόσο «εξωτική» ιδέα όπως αυτή μιας μαύρης τρύπας!

Οι υπάρχοντες νόμοι της Φυσικής έχουν περιορισμένη εφαρμοσιμότητα. Με την ανακάλυψη νέων φαινομένων ελέγχουμε αν οι γνωστοί νόμοι της Φυσικής ισχύουν και αν όχι ψάχνουμε να βρούμε νέους που να περιγράφουν με ακρίβεια τα νέα φαινόμενα. Πιο συγκεκριμένα, η μεγαλύτερη κατανόηση των μαύρων τρυπών θα οδηγήσει σε μεγαλύτερη κατανόηση της φύσης¹.

1.Robert M.Wald,Χώρος, Xρόνος και Bαρύτητα, Εκδόσεις Πουκαμισάς

2.Paul G.Hewitt,Οι έννοιες της Φυσικής, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης