Λίγο πριν οι αστρονόμοι παρουσιάσουν την πρώτη εικόνα της μαύρης τρύπας στο κέντρο του Γαλαξία μας

Από Κωνσταντίνος Ζώκος στις 8 Απριλίου 2019

Στο κέντρο του Γαλαξία μας, κοντά στα σύνορα των αστερισμών Τοξότης και Σκορπιός, υπάρχει μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα. Αποκαλείται Τοξότης A* (ή εν συντομία Sgr A*), η περιοχή του χωροχρόνου που συνδέεται με αυτή καλύπτει μια απόσταση μεγαλύτερη από 43,45 εκατομμύρια χιλιόμετρα και εκτιμάται ότι έχει έναν πυρήνα που ρουφάει το φως 4 εκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου μας. Λόγω της σχετικά κοντινής στη Γη απόστασης, «μόνο» 26 000 ετών φωτός, είναι επίσης μια από τις λίγες μαύρες τρύπες για να παρατηρηθεί η επιρροή της παραπλήσιας σε αυτήν ύλης.

Πώς οδηγήθηκαν οι επιστήμονες να διατυπώσουν αυτή την άποψη;

Με μια κεραία που σχεδίασε και κατασκεύασε για να λαμβάνει ραδιοκύματα στη συχνότητα των 20,5 MHz, ο Karl Guthe Jansky ξόδεψε μήνες για να κατηγοριοποιήσει τα κύματα που καταγράφονταν (από την κεραία) σε τρεις ομάδες και πάνω από ένα χρόνο για να μελετήσει με ιδιαίτερη προσοχή την τρίτη από τις ομάδες αυτές, αυτήν που είχε άγνωστη προέλευση, για να προσδιορίσει ότι το «φωτεινότερο» σημείο του σήματος εντοπίζεται μακριά από την θέση του Ήλιου. Ο Jansky προσδιόρισε ότι το σήμα επαναλαμβάνονταν σε έναν κύκλο 23 ωρών και 56 λεπτών, την περίοδο περιφοράς της Γης σε σχέση με τα άστρα. Συγκρίνοντας τις παρατηρήσεις του με οπτικούς αστρονομικούς χάρτες, συμπέρανε, το 1931, ότι η ακτινοβολία προέρχονταν από το Γαλαξία μας και ήταν ισχυρότερη στην κατεύθυνση που βρισκόταν το κέντρο του, στον αστερισμό του Τοξότη. Η ανακάλυψη έγινε ευρέως γνωστή με τη δημοσίευση στους New York Times, 5 Μαΐου 1933, με την επιστημονική του μελέτη να δημοσιεύεται την ίδια χρονιά. Ο Jansky θέλησε να ερευνήσει περισσότερο τα ραδιοκύματα του Γαλαξία μας («αστρικό θόρυβο» τα ονόμασε), αλλά το κόστος και άλλοι παράγοντες, όπως η άποψη ότι μια τέτοια έρευνα δεν θα ήταν σημαντική, δεν το επέτρεψαν.

Η Sgr A* ανακαλύφθηκε τον Φεβρουάριο του 1974 από τους αστρονόμους Bruce Balick και Robert Brown με τη χρήση του βασικού συμβολόμετρου του Εθνικού Παρατηρητήριου Ραδιο-Αστρονομίας, με το όνομα Sgr A* να επινοείται από τον Brown το 1982 επειδή η ραδιοπηγή ήταν διεγερμένη και οι διεγερμένες καταστάσεις των ατόμων σημειώνονταν με αστερίσκους.

Στις 16 Οκτωβρίου του 2002, μια διεθνής ομάδα με επικεφαλής τον Reinhard Genzel του Ινστιτούτου Max Planck, ανέφερε την παρατήρηση της κίνησης του άστρου S2 πλησίον του Τοξότη Α* για μια περίοδο 10 ετών και, σύμφωνα με την ανάλυση της ομάδας, τα δεδομένα απέκλεισαν την πιθανότητα ότι αυτό που χαρακτηρίζονταν ως Sgr A* περιέχει ένα σμήνος σκοτεινά αστρικά αντικείμενα ή μια μάζα εκφυλισμένων φερμιονίων, ενισχύοντας τα αποδεικτικά στοιχεία για μια μαύρη τρύπα μεγάλης μάζας. Η ταχεία κίνηση του S2, και όχι μόνον αυτού αλλά και άλλων κοντινών άστρων, εύκολα αντιδιαστέλλονταν από τα πιο αργά κινούμενα άστρα κατά μήκος της γραμμής παρατήρησης.

Μερικά στοιχεία για την Sgr A* στο κέντρο του Γαλαξία μας

Από την εξέταση της τροχιάς του S2 σε σχέση με άλλα άστρα (τροχιά Κέπλερ), προσδιορίστηκε ότι η μάζα του Sgr A* είναι 2,6 με μια αβεβαιότητα 0,2 εκατομμυρίων μαζών του Ήλιου μας, περιορισμένη σε ένα όγκο με ακτίνα όχι μεγαλύτερη από 17 ώρες φωτός. Μετά από παρακολούθηση των αστρικών τροχιών γύρω από τον Τοξότη Α* για 16 χρόνια, εκτιμήθηκε η μάζα του αντικειμένου σε 4,31 με αβεβαιότητα 0,38 εκατομμύρια ηλιακές μάζες με το αποτέλεσμα να ανακοινώνεται το 2008 και να καταγράφεται ως επιστημονική δημοσίευση το 2009. Με τον επικεφαλής της έρευνας να αναφέρει στη μελέτη ότι αυτό θεωρείται η καλύτερη εμπειρική απόδειξη ότι η τεράστιας μάζας μαύρη τρύπα υπήρχε πραγματικά και ότι οι τροχιές στο Γαλαξιακό Κέντρο δείχνουν ότι το συμπύκνωμα των τεσσάρων εκατομμυρίων ηλιακών μαζών πρέπει να είναι μια μαύρη τρύπα, πέρα κάθε αμφιβολίας.

Το Ιανουάριο του 2015, η NASA ανέφερε την παρατήρηση μιας έκλαμψης ακτίνων-Χ, 400 φορές εντονότερη από ότι συνήθως, από την Sgr A*. Το ασυνήθιστο αυτό γεγονός μπορεί να προκλήθηκε, σύμφωνα με τους επιστήμονες, από τη διάλυση ενός αστεροειδούς που πέφτει στη μαύρη τρύπα ή από την διεμπλοκή των γραμμών του μαγνητικού πεδίου σε ένα αέριο που ρέει μέσα στην Sgr A*.

Σε μελέτη που δημοσιεύθηκε τον Οκτώβριο του 2018 ανακοινώθηκε η ανακάλυψη του συμπερασματικού αποδεικτικού στοιχείου ότι το αντικείμενο Τοξότης Α* είναι μια μαύρη τρύπα. Χρησιμοποιώντας τα τέσσερα τηλεσκόπια του Πολύ Μεγάλου Τηλεσκοπίου (VLT) από τα οποία συγκροτήθηκε ένα εικονικό τηλεσκόπιο διαμέτρου 130 μέτρων και συνδυάζοντας το κοντινό στο υπέρυθρο φως που συλλέγεται από αυτά με ένα ειδικό βοηθητικό όργανο, που συμβάλλει στην απεικόνιση αδύναμων ουράνιων αντικειμένων, οι αστρονόμοι ανίχνευσαν όγκο αερίου που κινείται με ταχύτητα περίπου 30% της ταχύτητας του φωτός. Η εκπομπή από πάρα πολύ ενεργητικά ηλεκτρόνια πολύ κοντά στη μαύρη τρύπα ήταν ορατή ως τρεις εμφανείς φωτεινές εκλάμψεις. Ακριβώς αυτό ταιριάζει με τις θεωρητικές προβλέψεις για ενεργά σημεία που περιφέρονται κοντά σε μια μαύρη τρύπα τεσσάρων εκατομμυρίων ηλιακών μαζών. Οι εκλάμψεις θεωρείται ότι παράγονται από μαγνητικές αλληλεπιδράσεις στο πολύ θερμό αέριο που περιφέρεται πολύ κοντά στο αντικείμενο Τοξότης Α*.

Πώς τα σημερινά εξελιγμένα τηλεσκόπια συμβάλλουν στη σύλληψη της μαύρης τρύπας

Για πρώτη φορά αναμένεται πολύ σύντομα – την Τετάρτη 10 Απριλίου – να διαθέτουμε μια «εικόνα» του ουράνιου τέρατος που κρύβεται στο κέντρο του Γαλαξία μας. Το σχέδιο για την «σύλληψη» μιας μαύρης τρύπας αποτελείται από μια σειρά βημάτων: Πρώτα, αφιερώνονται πολλά χρόνια για να εξασφαλιστούν οκτώ από τα κορυφαία ραδιο-παρατηρητήρια σε τέσσερις ηπείρους για να ενώσουν τις δυνάμεις τους για το πρωτοφανές κυνήγι. Στη συνέχεια, συντονίζονται τα σχέδια έτσι ώστε τα παρατηρητήρια αυτά να στρέψουν την προσοχή τους ταυτόχρονα στις ίδιες περιοχές του ουρανού για μερικές ημέρες. Μετά, συλλέγονται παρατηρήσεις σε μια κλίμακα που δεν είχε προηγούμενο στην επιστήμη – παράγοντας 2 petabytes δεδομένων κάθε νύχτα.

Αυτό είναι το σχέδιο που εφαρμόστηκε για μήνες από το Τηλεσκόπιο του Ορίζοντα Γεγονότων (Event Horizon Telescope ή EHT), μιας ομάδας ραδιοτηλεσκοπίων εγκατεστημένων σε όλη την υδρόγειο σφαίρα για να δημιουργηθεί ένα εικονικό παρατηρητήριο περίπου τόσο μεγάλο όσο η Γη. Οι ερευνητές ελπίζουν ότι όταν θα ξεκαθαρίσουν τα βουνά των δεδομένων θα συλλάβουν τις πρώτες λεπτομέρειες, που καταγράφηκαν ποτέ, της μαύρης τρύπας στο κέντρο του Γαλαξία μας, όπως και εικόνες της πολύ μεγαλύτερης μαύρης τρύπας που υπάρχει στον πολύ απομακρυσμένο γαλαξία Μ87.

Μερικά στοιχεία για τις μαύρες τρύπες

Το Τηλεσκόπιο του Ορίζοντα Γεγονότων στοχεύει να αποκαλύψει το όριο της μαύρης τρύπας. Τα αντικείμενα αυτά περιβάλλονται από δίσκους προσαύξηση (accretion disc): μάζες ύλης που στροβιλίζονται σπειροειδώς προς τα μέσα. Οτιδήποτε που πέφτει πέρα από τον ορίζοντα γεγονότων (event horizon) εξαφανίζεται από τη θέα επειδή το φως δεν μπορεί να δραπετεύσει από το εσωτερικό αυτού του συνόρου.

Λόγω της έντασης της βαρύτητας κοντά στις μαύρες τρύπες, το φως που εκπέμπεται από το δίσκο προσαύξησης παραμορφώνεται λυγίζοντας γύρω από τον ορίζοντα γεγονότων. Ακόμη και το τμήμα του δίσκου που βρίσκεται πίσω από τη μαύρη τρύπα είναι ορατό από μπροστά.

Η ακτινοβολία που συλλέγεται από το Τηλεσκόπιο του Ορίζοντα Γεγονότων θα μπορούσε να μοιάζει με αυτή την (πιο κάτω) προσομοίωση του φωτός που κάμπτεται γύρω από μια μαύρη τρύπα. Το ένα μέρος εμφανίζεται φωτεινότερο επειδή η περισσότερη ακτινοβολία μετατοπίζεται προς τα παρατηρούμενα μήκη κύματος.

Ο λόγος για τον οποίο απαιτείται τόσο μεγάλη αστρονομική δύναμη πυρός είναι ότι αυτές οι μαύρες τρύπες είναι τόσο μακριά από τη Γη που θα εμφανίζονται περίπου όπως ένα κουλούρι στην επιφάνεια της Σελήνης, απαιτώντας μια ανάλυση περισσότερο από 1000 φορές καλύτερη από αυτή του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble. Η κατασκευή ενός μεγάλου τηλεσκοπίου που να μπορούσε να πετύχει αυτή την παρατήρηση ήταν αδύνατη αφού ένα τόσο γιγάντιο τηλεσκόπιο θα μπορούσε να καταρρεύσει από το ίδιο του το βάρος. Έτσι επινοήθηκε η λύση του Event Horizon Telescope ή EHT.

Το EHT στοχεύει να πλησιάσει τον ορίζοντα γεγονότων κάθε μαύρης τρύπας, την επιφάνεια πέρα από την οποία η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή που οτιδήποτε θα τη διασχίσει δεν μπορεί να βγει έξω. Συλλαμβάνοντας εικόνες από το τι συμβαίνει έξω από αυτή τη ζώνη, οι επιστήμονες θα μπορέσουν να υποβάλουν την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Einstein σε μια από τις πιο σχολαστικές δοκιμασίες μέχρι τώρα. Οι εικόνες θα μπορούσαν επίσης να βοηθήσουν να εξηγηθεί πώς μερικές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες παράγουν εντυπωσιακά ενεργητικούς πίδακες και οι οποίοι κυριαρχούν στους αντίστοιχους γαλαξίες τους και πέρα από αυτούς.

Όμως πρώτα θα πρέπει να συνεργαστεί ο καιρός. Το EHT χρειάστηκε καθαρούς ουρανούς σε όλες και τις οκτώ τοποθεσίες ταυτόχρονα, από την Χαβάη μέχρι τις Άνδεις και από τα Πυρηναία μέχρι το Νότιο Πόλο. Αυτός και άλλοι περιορισμοί σημαίνει ότι η ομάδα είχε μόνο μια με δυο εβδομάδες παράθυρο κάθε χρόνο για να κάνει μια προσπάθεια επειδή όλα έπρεπε να είναι σωστά.

Πότε θα μπορούσαμε να έχουμε μια τέτοια εικόνα;

Η μαύρη τρύπα όπως σχεδιάστηκε για την ταινία Interstellar

Είναι ενδιαφέρον ότι ορισμένοι επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτό που θα δούμε μπορεί να μοιάζει κάτι σαν την εικόνα της μαύρης τρύπας που σχεδιάστηκε πολύ προσεκτικά από τον Christopher Nolan για την ταινία του «Interstellar». Αντίθετα από το οπτικά ευχάριστο μεγαλείο αυτού του συγκεκριμένου παραδείγματος, ωστόσο, αναμένεται ότι το φως που δημιουργείται από τον ορίζοντα γεγονότων θα πρέπει να είναι περισσότερο ασύμμετρο παρά ομοιόμορφο. Εκτός από τη σκιά του, οι ερευνητές είναι επίσης αισιόδοξοι να απεικονίσουν τον ορίζοντα γεγονότων ή το σημείο στο οποίο τίποτε, ούτε καν το φως, δεν μπορεί να δραπετεύσει από το ορθάνοιχτο στόμα του «θηρίου». Είναι εδώ σε αυτή την παρατήρηση που σύμφωνα με τους επιστήμονες η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Einstein θα αντιμετωπίσει μια από τις μεγαλύτερες δοκιμασίες της.

Θα μπορούσε αυτή η φωτογραφία της μαύρης τρύπας να αποδείξει ότι ο Einstein έχει λάθος; Ευτυχώς δεν θα πρέπει να περιμένουμε πολύ για αυτό, την ερχόμενη Τετάρτη 10 Απριλίου 2019 – σύμφωνα με την ανακοίνωση στην ιστοσελίδα του Τηλεσκοπίου του Ορίζοντα Γεγονότων (EHT) – θα παρουσιαστούν τα πρώτα αποτελέσματα από το EHT, σε έξι ταυτόχρονες συνεντεύξεις τύπου σε όλο τον πλανήτη.

Σχετικά με το EHT, δείτε το video (animation) με ελληνικούς υπότιτλους (επιλογή από τα settings):