Οι ιδιομορφίες της Μαύρης Τρύπας είναι τόσο αναπόφευκτες όσο αναμενόταν
Τον Ιανουάριο του 1916, ο Karl Schwarzschild, ένας Γερμανός φυσικός που τοποθετήθηκε ως στρατιώτης στο ανατολικό μέτωπο, παρήγαγε την πρώτη ακριβή λύση στις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας, τη ριζική, δύο μηνών θεωρία της βαρύτητας του Albert Einstein. Η Γενική Σχετικότητα απεικόνιζε τη βαρύτητα όχι ως ελκτική δύναμη, όπως είχε γίνει αντιληπτό από καιρό, αλλά ως την επίδραση του καμπυλωμένου χώρου και χρόνου. Η λύση του Schwarzschild αποκάλυψε την καμπυλότητα του χωροχρόνου γύρω από μια ακίνητη σφαίρα ύλης.
Περιέργως, ο Schwarzschild παρατήρησε ότι εάν αυτή η ύλη περιοριζόταν σε μια αρκετά μικρή ακτίνα, θα υπήρχε ένα σημείο άπειρης καμπυλότητας και πυκνότητας - μια «ιδιαιτερότητα» - στο κέντρο.
Τα άπειρα που εμφανίζονται στη φυσική είναι συνήθως αιτία συναγερμού και ούτε ο Αϊνστάιν, όταν έμαθε το αποτέλεσμα του στρατιώτη, ούτε ο ίδιος ο Schwarzschild πίστευαν ότι τέτοια αντικείμενα υπάρχουν πραγματικά. Αλλά ξεκινώντας από τη δεκαετία του 1970, εμφανίστηκαν στοιχεία ότι το σύμπαν περιέχει σωρούς από αυτές τις οντότητες - που ονομάζονται «μαύρες τρύπες» επειδή η βαρύτητά τους είναι τόσο ισχυρή που τίποτα που εισέρχεται σε αυτές, ούτε καν το φως, δεν μπορεί να βγει. Η φύση των ιδιομορφιών μέσα στις μαύρες τρύπες είναι από τότε ένα μυστήριο.
Πρόσφατα, μια ομάδα ερευνητών που συνδέονται με την Πρωτοβουλία Μαύρης Τρύπας (BHI) του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ σημείωσε σημαντική πρόοδο σε αυτό το παζλ. Ο Paul Chesler, ο Ramesh Narayan και ο Erik Curiel ερεύνησαν το εσωτερικό των θεωρητικών μαύρων τρυπών που μοιάζουν με εκείνα που μελετήθηκαν από αστρονόμους, προσπαθώντας να προσδιορίσουν τι είδους μοναδικότητα βρίσκεται μέσα. Η μοναδικότητα δεν είναι ένα μέρος όπου οι ποσότητες γίνονται πραγματικά άπειρες, αλλά «ένα μέρος όπου η γενική σχετικότητα καταρρέει», εξήγησε ο Chesler. Σε ένα τέτοιο σημείο, η γενική σχετικότητα θεωρείται ότι δίνει τη θέση της σε μια πιο ακριβή, ακόμη άγνωστη, κβαντικής κλίμακας περιγραφή της βαρύτητας. Αλλά υπάρχουν τρεις διαφορετικοί τρόποι με τους οποίους η θεωρία του Αϊνστάιν μπορεί να πάει χαμένη, οδηγώντας σε τρία διαφορετικά είδη πιθανών ιδιομορφιών. "Το να γνωρίζουμε πότε και πού καταρρέει η γενική σχετικότητα είναι χρήσιμο για να γνωρίζουμε ποια θεωρία [της κβαντικής βαρύτητας] βρίσκεται πέρα από αυτήν", είπε ο Chesler.
Η ομάδα BHI χτίστηκε σε μια σημαντική πρόοδο που επιτεύχθηκε το 1963, όταν ο μαθηματικός Roy Kerr έλυσε τις εξισώσεις του Αϊνστάιν για μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα - μια πιο ρεαλιστική κατάσταση από αυτή που ανέλαβε ο Schwarzschild αφού σχεδόν τα πάντα στο σύμπαν περιστρέφονται. Αυτό το πρόβλημα ήταν πιο δύσκολο από αυτό του Schwarzschild, επειδή τα περιστρεφόμενα αντικείμενα έχουν εξογκώματα στο κέντρο και επομένως δεν έχουν σφαιρική συμμετρία. Η λύση του Kerr περιέγραψε ξεκάθαρα την περιοχή έξω από μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα, αλλά όχι το εσωτερικό της.
Η μαύρη τρύπα του Kerr ήταν ακόμα κάπως μη ρεαλιστική, καθώς καταλάμβανε έναν χώρο χωρίς ύλη. Αυτό, συνειδητοποίησαν οι ερευνητές της BHI, είχε ως αποτέλεσμα να κάνει τη λύση ασταθή. Η προσθήκη έστω και ενός μόνο σωματιδίου θα μπορούσε να αλλάξει δραστικά την εσωτερική χωροχρονική γεωμετρία της μαύρης τρύπας. Σε μια προσπάθεια να κάνουν το μοντέλο τους πιο ρεαλιστικό και πιο σταθερό, ψέκασαν ύλη ενός ειδικού είδους που ονομάζεται «στοιχειώδες βαθμωτό πεδίο» μέσα και γύρω από τη θεωρητική τους μαύρη τρύπα. Και ενώ η αρχική λύση Kerr αφορούσε μια «αιώνια» μαύρη τρύπα που ήταν πάντα εκεί, οι μαύρες τρύπες στην ανάλυσή τους σχηματίστηκαν από βαρυτική κατάρρευση, όπως αυτές που αφθονούν στον κόσμο.
Αρχικά, οι Chesler, Narayan και Curiel δοκίμασαν τη μεθοδολογία τους σε μια φορτισμένη, μη περιστρεφόμενη, σφαιρική μαύρη τρύπα που σχηματίστηκε από τη βαρυτική κατάρρευση της ύλης σε ένα στοιχειώδες βαθμωτό πεδίο. Αναλυτικά τα ευρήματά τους σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στον επιστημονικό ιστότοπο προεκτύπωσης arxiv.org τον Φεβρουάριο. Στη συνέχεια, ο Chesler αντιμετώπισε τις πιο περίπλοκες εξισώσεις που σχετίζονται με μια παρόμοια σχηματισμένη περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα, αναφέροντας τα σόλο αποτελέσματα του τρεις μήνες αργότερα.
Οι αναλύσεις τους έδειξαν ότι και οι δύο τύποι μαύρων τρυπών περιέχουν δύο διαφορετικά είδη ιδιομορφιών. Μια μαύρη τρύπα περικλείεται μέσα σε μια σφαίρα που ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων:Μόλις η ύλη ή το φως διασχίσουν αυτό το αόρατο όριο και εισέλθουν στη μαύρη τρύπα, δεν μπορούν να διαφύγουν. Μέσα στον ορίζοντα γεγονότων, οι φορτισμένες σταθερές και περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες είναι γνωστό ότι έχουν μια δεύτερη σφαιρική επιφάνεια χωρίς επιστροφή, που ονομάζεται εσωτερικός ορίζοντας. Ο Chesler και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι για τις μαύρες τρύπες που μελέτησαν, αναπόφευκτα σχηματίζεται μια «μηδενική» ιδιομορφία στον εσωτερικό ορίζοντα, ένα εύρημα που συνάδει με προηγούμενα αποτελέσματα. Η ύλη και η ακτινοβολία μπορούν να περάσουν από αυτό το είδος μοναδικότητας για το μεγαλύτερο μέρος της ζωής της μαύρης τρύπας, εξήγησε ο Chesler, αλλά όσο περνά ο χρόνος η καμπυλότητα του χωροχρόνου αυξάνεται εκθετικά, «γίνοντας άπειρη σε απείρως αργούς χρόνους».
Οι φυσικοί ήθελαν περισσότερο να ανακαλύψουν εάν οι σχεδόν ρεαλιστικές μαύρες τρύπες τους έχουν μια κεντρική ιδιομορφία - γεγονός που είχε διαπιστωθεί μόνο με βεβαιότητα για τις απλές μαύρες τρύπες Schwarzschild. Και αν υπάρχει μια κεντρική ιδιομορφία, ήθελαν να προσδιορίσουν αν είναι «διαστημική» ή «χρονική». Αυτοί οι όροι προέρχονται από το γεγονός ότι από τη στιγμή που ένα σωματίδιο προσεγγίζει μια διαστημική ιδιομορφία, δεν είναι δυνατό να εξελιχθούν οι εξισώσεις της γενικής σχετικότητας προς τα εμπρός στο χρόνο. Η εξέλιξη επιτρέπεται μόνο κατά μήκος της διαστημικής κατεύθυνσης. Αντίθετα, ένα σωματίδιο που πλησιάζει σε μια χρονική ιδιομορφία δεν θα τραβηχτεί αναπόφευκτα μέσα. έχει ακόμα ένα πιθανό μέλλον και επομένως μπορεί να προχωρήσει στο χρόνο, αν και η θέση του στο χώρο είναι σταθερή. Οι εξωτερικοί παρατηρητές δεν μπορούν να δουν διαστημικές ιδιομορφίες επειδή τα κύματα φωτός πάντα κινούνται μέσα τους και δεν βγαίνουν ποτέ. Ωστόσο, τα φωτεινά κύματα μπορούν να προέλθουν από ιδιαιτερότητες που μοιάζουν με το χρόνο, κάνοντάς τα ορατά σε τρίτους.
Από αυτούς τους δύο τύπους, μια διαστημική ιδιομορφία μπορεί να είναι προτιμότερη από τους φυσικούς, επειδή η γενική σχετικότητα καταρρέει μόνο στο σημείο της ίδιας της μοναδικότητας. Για μια χρονική μοναδικότητα, η θεωρία παραπαίει παντού γύρω από αυτό το σημείο. Ένας φυσικός δεν έχει τρόπο να προβλέψει, για παράδειγμα, εάν η ακτινοβολία θα προκύψει από μια χρονική ιδιομορφία και ποια μπορεί να είναι η ένταση ή το πλάτος της.
Η ομάδα διαπίστωσε ότι και για τους δύο τύπους μαύρων οπών που εξέτασαν, υπάρχει πράγματι μια κεντρική ιδιομορφία και είναι πάντα διαστημική. Αυτό υποτίθεται ότι συνέβαινε από πολλούς, αν όχι οι περισσότεροι, αστροφυσικοί που είχαν μια άποψη, σημείωσε ο Chesler, "αλλά δεν ήταν γνωστό με βεβαιότητα."
Ο φυσικός Amos Ori, ειδικός στις μαύρες τρύπες στο Technion στη Χάιφα του Ισραήλ, είπε σχετικά με τη νέα εργασία του Chesler:«Από όσο γνωρίζω, αυτή είναι η πρώτη φορά που έχει δοθεί μια τέτοια άμεση προέλευση για την εμφάνιση ενός διαστημικού μοναδικότητα μέσα σε περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες.»
Ο Gaurav Khanna, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης στο Dartmouth, ο οποίος επίσης ερευνά τις ιδιομορφίες των μαύρων τρυπών, χαρακτήρισε τις μελέτες της ομάδας BHI «μεγάλη πρόοδο — ένα κβαντικό άλμα πέρα από προηγούμενες προσπάθειες σε αυτόν τον τομέα».
Ενώ ο Chesler και οι συνεργάτες του έχουν ενισχύσει την υπόθεση ότι οι αστροφυσικές μαύρες τρύπες έχουν διαστημικές ιδιομορφίες στον πυρήνα τους, δεν το έχουν αποδείξει ακόμη. Το επόμενο βήμα τους είναι να κάνουν πιο ρεαλιστικούς υπολογισμούς που υπερβαίνουν τα στοιχειώδη βαθμωτά πεδία και ενσωματώνουν πιο ακατάστατες μορφές ύλης και ακτινοβολίας.
Ο Chesler τόνισε ότι οι ιδιομορφίες που εμφανίζονται στους υπολογισμούς της μαύρης τρύπας θα πρέπει να εξαφανιστούν όταν οι φυσικοί δημιουργήσουν μια κβαντική θεωρία βαρύτητας που μπορεί να χειριστεί τις ακραίες συνθήκες που βρίσκονται σε αυτά τα σημεία. Σύμφωνα με τον Chesler, η πράξη του να ωθήσεις τη θεωρία του Αϊνστάιν στα όριά της και να δεις πώς ακριβώς αποτυγχάνει «μπορεί να σε καθοδηγήσει στην κατασκευή της επόμενης θεωρίας».
Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στα ισπανικά στη διεύθυνση Investigacionyciencia.es .
