Ξεσπά η συζήτηση για το πώς μεγαλώνουν οι «απαγορευμένες» μαύρες τρύπες
Μέχρι πρόσφατα, οι μαύρες τρύπες - αυτές οι ουράνιες σφαίρες τόσο πυκνές που ούτε το φως μπορεί να ξεφύγει από τη βαρυτική τους έλξη - έμοιαζαν να έχουν μέγεθος μικρό ή XXL. Οι αστροφυσικοί συμπέραναν την παρουσία μικρών «αστρικών» μαύρων οπών που ζυγίζουν περίπου 50 φορές τη μάζα του ήλιου, καθώς και γιγάντιες μαύρες τρύπες εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια φορές βαρύτερες που βρίσκονται στα κέντρα των γαλαξιών.
«Είναι σαν να βλέπεις βρέφη και μετά να βλέπεις ενήλικες, αλλά δεν βλέπεις τους εφήβους», είπε ο Priyamvada Natarajan, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Yale.
Στη συνέχεια, στις 21 Μαΐου 2019, μεσαίου μεγέθους μαύρες τρύπες ανιχνεύθηκαν αναμφισβήτητα για πρώτη φορά όταν το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων (LIGO) με συμβολόμετρο λέιζερ με έδρα τις Η.Π.Α. του χώρου. Σύμφωνα με την ανάλυσή τους, το ζεύγος ζύγιζε 66 και 85 ηλιακές μάζες.
Από τότε που το εύρημα έγινε επίσημο τον Σεπτέμβριο του τρέχοντος έτους, έχει αναπτυχθεί μια συζήτηση. Το ερώτημα είναι πώς προκύπτουν μαύρες τρύπες μεσαίου μεγέθους. Οι μικρότερες μαύρες τρύπες μπορεί να μετατραπούν σε μεσαίο βάρος με την αναρρόφηση αερίου και σκόνης. Ή μπορεί να διογκώνονται καταναλώνοντας το ένα το άλλο, διευρύνοντας με κάθε διαδοχική συγχώνευση. «Δεν είναι σαφές εάν μία από αυτές τις διαδικασίες είναι σχετική ή και οι δύο», δήλωσε ο Imre Bartos, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Φλόριντα. Η γένεση μαύρων οπών μεσαίου μεγέθους έχει σημασία επειδή διασταυρώνεται με μια σειρά από άλλες αστροφυσικές γραμμές.
Το σίγουρο είναι ότι οι μαύρες τρύπες 66 και 85 ηλιακής μάζας πρέπει να έχουν μεγαλώσει με κάποιο τρόπο, επειδή δεν θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί σε αυτά τα μεγέθη από τη βαρυτική κατάρρευση των άστρων.
Κοντά στο τέλος της ζωής των μεγάλων αστεριών, συγχωνεύουν υδρογόνο στους πυρήνες τους σε όλο και πιο βαριά στοιχεία. Αλλά μόλις φτάσουν σε σίδηρο, λιγότερη ενέργεια βγαίνει από τη σύντηξη από ό,τι εισέρχεται και η σύντηξη σταματά. Ανίκανος να συγκρατήσει τα βαριά εξωτερικά στρώματα του άστρου, ο πυκνός πυρήνας καταρρέει βαρυτικά, προκαλώντας μια εντυπωσιακή έκρηξη σουπερνόβα και αφήνοντας πίσω του ένα εξαιρετικά συμπαγές και βαρύ υπόλειμμα:τη μαύρη τρύπα.
Τουλάχιστον, αυτό ισχύει για αστέρια μέχρι ένα ορισμένο μέγεθος. Εάν ο πυρήνας ενός τεράστιου άστρου είναι μεταξύ 65 και 135 φορές τη μάζα του ήλιου, μπορεί να φτάσει σε εκπληκτικές θερμοκρασίες σχεδόν 300 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου, προκαλώντας αυθόρμητα μετατροπή σωματιδίων φωτός σε ζεύγη ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων. Με την εξαφάνιση της πίεσης της ακτινοβολίας, τα ογκώδη εξωτερικά στρώματα αποκτούν το πάνω χέρι και πέφτουν προς τα μέσα με ακόμη μεγαλύτερη αγριότητα από ό,τι συμβαίνει σε ένα τυπικό σουπερνόβα. Ολόκληρος ο πυρήνας εκρήγνυται σαν βόμβα, αποτεφρώνοντας εντελώς το αστέρι και δεν αφήνει τίποτα στο πέρασμά του.
Πυρήνες μεταξύ περίπου 50 και 65 ηλιακών μαζών υφίστανται μια σειρά από μερικές εκρήξεις έως ότου πέσουν κάτω από το εύρος όπου συμβαίνει ο σχηματισμός ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. στη συνέχεια καταρρέουν βαρυτικά σε μαύρες τρύπες. Αυτό σημαίνει ότι, θεωρητικά, οι μαύρες τρύπες με 50 έως 135 ηλιακές μάζες δεν μπορούν να δημιουργηθούν από αστέρια.
Ωστόσο, ακόμη και πριν από την πρόσφατη ανίχνευση, πολλοί αστροφυσικοί υποψιάζονταν ότι θα έπρεπε να υπάρχουν μαύρες τρύπες σε αυτό το απαγορευμένο εύρος. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι υπέθεσαν ότι οι αστρικές μαύρες τρύπες μπορεί να αναπτυχθούν στις υπερμεγέθεις που αγκυρώνουν τους γαλαξίες περνώντας από ένα μεσαίο στάδιο.
Η Natarajan, η οποία έχει εργαστεί για πολύ καιρό σε μοντέλα ανάπτυξης μαύρων τρυπών μέσης μάζας, συγκέντρωσε τις τελευταίες ιδέες της σε μια εφημερίδα που δημοσιεύτηκε στο διαδίκτυο στις 19 Σεπτεμβρίου. Προκρίνει σενάρια όπου γεννιούνται μικρές μαύρες τρύπες σε πυρηνικά αστρικά σμήνη, πυκνές συλλογές αστεριών που βρίσκονται κοντά σε γαλαξιακά κέντρα . Αυτές οι αρχικές μαύρες τρύπες διαπερνούν το σύμπλεγμα, αυξάνοντας το λίπος σε αέριο και σκόνη, μέχρι να εγκατασταθούν σε ένα μόνο σημείο και να σταματήσουν να παίρνουν βάρος. Ανάλογα με το πόσο υλικό περιέχει το σμήνος και πόσο καιρό περιπλανιέται η μαύρη τρύπα, θα μπορούσαν να αναπτυχθούν ενδιάμεσες οντότητες με μεγάλο εύρος τελικών μαζών, συμπεριλαμβανομένων πιθανώς και των δύο μαύρων οπών που ανιχνεύθηκαν από το LIGO/Virgo.
Ωστόσο, ο Bartos και άλλοι ερευνητές που εργάζονται σε μοντέλα «ιεραρχικής συγχώνευσης», στα οποία οι μαύρες τρύπες αναπτύσσονται τρώγοντας η μία την άλλη παρά συσσωρεύοντας αέριο και σκόνη, επισημαίνουν μια σημαντική υποστηρικτική λεπτομέρεια στα δεδομένα LIGO/Virgo.
Οι μαύρες τρύπες μπορεί να έχουν γωνιακή ορμή ή «σπιν», που κυμαίνεται μεταξύ των ακραίων σημείων 0 και 1. Όταν συνδυάζονται δύο μαύρες τρύπες παρόμοιου μεγέθους, το σπιν της προκύπτουσας μαύρης τρύπας είναι πολύ πιθανό να είναι περίπου 0,7. Η τελική μαύρη τρύπα που δημιουργήθηκε στη συγχώνευση που είδαν το LIGO/Virgo, για παράδειγμα, είχε σπιν 0,72. Ωστόσο, είναι χαρακτηριστικό ότι οι δύο μαύρες τρύπες που συμμετείχαν στη συγχώνευση είχαν παρόμοιες περιστροφές, συνδεδεμένες στο 0,69 και στο 0,73, υποδηλώνοντας ότι μπορεί η καθεμία να σχηματίστηκε σε προηγούμενες συγχωνεύσεις.
"Φαίνεται ότι αυτό το συμβάν συνάδει με την ιδέα ότι οι μαύρες τρύπες συγχωνεύονται επανειλημμένα", δήλωσε ο Emanuele Berti, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins που μελετά τις ιεραρχικές συγχωνεύσεις.
Από την άλλη πλευρά, ο Berti σημειώνει ότι το αέριο και η σκόνη που συσσωρεύονται στις μαύρες τρύπες θα πρέπει επίσης να επηρεάσουν τις περιστροφές τους. Το υλικό που πέφτει σε μια μαύρη τρύπα σχηματίζει θεωρητικά έναν περιστρεφόμενο δίσκο καθώς αποστραγγίζεται προς το κεντρικό σημείο και η περιστροφή αυτού του δίσκου μπορεί να μεταφερθεί στην τρύπα. Οι λεπτομέρειες αυτής της διαδικασίας δεν έχουν ακόμη διερευνηθεί πλήρως, αλλά το υλικό που πέφτει θα μπορούσε κατ' αρχήν να ευθύνεται για τις παρατηρούμενες περιστροφές. "Δεν μπορούμε να συμπεράνουμε με κάθε ειλικρίνεια ότι επρόκειτο για συγχώνευση δεύτερης γενιάς", είπε ο Berti.
Υπάρχει ένα άλλο πιθανό σημάδι ενάντια στη θεωρία των πολλαπλών συγχωνεύσεων:Όταν δύο μαύρες τρύπες με άνισες μάζες περιφέρονται η μία γύρω από την άλλη, εξήγησε ο Berti, ψεκάζουν βαρυτικά κύματα με τον τρόπο που ένας περιστρεφόμενος ψεκαστήρας ψεκάζει νερό, αντί να ακτινοβολούν τα κύματα συμμετρικά προς όλες τις κατευθύνσεις. «Τότε, τη στιγμή της συγχώνευσης, κλείνεις το νερό», είπε ο Μπέρτι. «Τα κύματα βαρύτητας πηγαίνουν με έναν τρόπο και η [μαύρη τρύπα που προκύπτει] πάει άλλο». Η μαύρη τρύπα θα μπορούσε να καταλήξει να κινείται με ταχύτητα δεκάδων εκατομμυρίων χιλιομέτρων την ώρα, ξεφεύγοντας γρήγορα από οποιοδήποτε περιβάλλον βρίσκεται. Η επιβράδυνσή της αρκετά για μια άλλη συγχώνευση θα ήταν δύσκολη.
Οι μαύρες τρύπες που σχηματίζονται σε πυρηνικά αστρικά σμήνη, την προτιμώμενη γενέτειρα του Ναταρατζάν, θα ήταν λιγότερο πιθανό να εκτοξευθούν από βαρυτικά λακτίσματα. Αυτό συμβαίνει επειδή τέτοια σμήνη εμφανίζονται κοντά σε υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, των οποίων η κολοσσιαία επιρροή θα μπορούσε να χαλιναγωγήσει γρήγορα αντικείμενα και ενδεχομένως να επιτρέψει στις μαύρες τρύπες να συναντήσουν συνεργάτες.
Ένα μεμονωμένο γεγονός συγχώνευσης δεν θα διευθετήσει τη συζήτηση.
«Νομίζω ότι προς το παρόν υπάρχουν πολλά διαφορετικά πιθανά κανάλια σχηματισμού», είπε η Laura Blecha, μια θεωρητική αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Φλόριντα. "Αυτή μπορεί να είναι μια διαφορετική ιστορία ακόμη και σε έξι μήνες από τώρα με νέα μοντέλα ή νέες ανιχνεύσεις LIGO."
Αν και το παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων είναι επί του παρόντος κλειστό λόγω της συνεχιζόμενης πανδημίας COVID-19, οι αναβαθμίσεις τα επόμενα χρόνια θα αυξήσουν το ποσοστό ανίχνευσης από περίπου μία συγχώνευση μαύρης τρύπας την εβδομάδα σε μία κάθε ώρα.
«Θα υπάρξει μια έκρηξη αυτών των γεγονότων», είπε ο Μπάρτος.
Εν τω μεταξύ, η τρέχουσα συγκομιδή δεδομένων θα συνεχίσει να δίνει στους αστρονόμους πολλά να μασήσουν. Στα τέλη Οκτωβρίου, μια εκ νέου ανάλυση των δεδομένων του LIGO/Virgo από εξωτερικούς αστρονόμους έδειξε ότι η εν λόγω συγχώνευση μπορεί να περιλάμβανε δύο μαύρες τρύπες εξαιρετικά άνισου βάρους - κάτι σαν 16 και 166 φορές τη μάζα του ήλιου, αντί για 66 και 85 ηλιακές μάζες. Αν ναι, τότε και οι δύο μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να έχουν προκύψει από αστρική κατάρρευση, καθώς οι μάζες τους διασχίζουν την απαγορευμένη περιοχή. Δεν χρειάζεται να έχουν μεγαλώσει καθόλου. Ωστόσο, μια τέτοια πιθανότητα θα απαιτούσε κάποιες εξηγήσεις, καθώς ο πιο βαρύς σύντροφος θα είχε προκύψει από ένα ασυνήθιστα τεράστιο αστέρι. Όλα δείχνουν ότι οι ερευνητές μόλις άρχισαν να κοιτάζουν σε έναν προηγουμένως αόρατο τομέα.
Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στα ισπανικά στο Investigacionyciencia.es και στα ιταλικά στο le Scienze.
