Υπάρχει μια μαύρη τρύπα στο κέντρο κάθε γαλαξία;

Πολύ πιθανόν! Πώς όμως καταλήγουμε σε αυτό το συμπέρασμα; Ας ξεκινήσουμε από τα βασικά:

Σε προηγούμενο άρθρο, περιγράψαμε τη μοντέρνα αντίληψη που έχουν οι επιστήμονες για τους γαλαξίες! Αφήσαμε όμως ανοικτό ένα ερώτημα: τι θα γίνει με τις μαύρες τρύπες στο κέντρο τους; Αρχικά να πούμε τι πιστεύουν οι φυσικοί: κάθε γαλαξίας (ή τουλάχιστον οι περισσότεροι) έχουν μια υπερμαζική μελανή οπή στο κέντρο τους, με μάζα από εκατομμύρια μέχρι δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες! Αν υπολογίσετε την ακτίνα Schwarzschild μιας τέτοια μελανής οπής (άσκηση για τον αναγνώστη), θα δείτε ότι είναι συγκρίσιμη με την απόσταση του Ηλίου με τον πλανήτη Ουρανό, κοντά στις 20 αστρονομικές μονάδες, δηλαδή περίπου ίση με το Ηλιακό μας σύστημα.

Παρατηρησιακές ενδείξεις

Ξεκινάμε από τις παρατηρήσεις. Πρέπει να δείξουμε δύο βασικά πράγματα: 1) ότι υπάρχει ικανή ποσότητα μάζας, και 2) ότι αυτή είναι συμπιεσμένη σε μικρές αποστάσεις, αντίστοιχες με τις ακτίνες Schwarzschild που αναμένουμε.

• Κινήσεις αστέρων

Η ιδέα είναι απλή: αν παρατηρήσουμε τις τροχιές πλανητών γύρω από το κέντρο ενός γαλαξία, χρησιμοποιώντας τις βασικές εξισώσεις βαρύτητας του Νεύτωνα¹, μπορούμε να υπολογίσουμε τη μάζα που δημιουργεί την αντίστοιχη βαρυτική έλξη (Εικόνα 1). Οι παρατηρήσεις στο κέντρο του δικού μας Γαλαξία υπολόγισαν την κεντρική μελανή οπή σε περίπου 4 εκατομμύρια ηλιακές μάζες, και οδήγησαν στο Νόμπελ Φυσικής του 2020. Το βασικό αρνητικό αυτής της μεθόδου είναι ότι είναι πολύ δύσκολο να παρατηρηθούν οι τροχιές των άστρων κοντά στο κέντρο ενός γαλαξία, καθώς η ανάλυση των τηλεσκοπίων μας δεν είναι ικανή να τα ξεχωρίσει για μακρινούς  γαλαξίες.

Οι παρατηρήσεις μια σειράς υπερμαζικών μελανών οπών (με διάφορους τρόπους) και η συσχέτιση τους με τις κινήσεις αστέρων στο περιβάλλον τους, έχει οδηγήσει στην εμπειρική σχέση “M-sigma”, όπως φαίνεται στην Εικόνα 2.

• Συμβολομετρία ραδιοπαρατηρήσεων
  

Ο γαλαξίας Μ87 βρίσκεται σε απόσταση περίπου 17 Mpc (δηλαδή 17 εκατομμύρια παρσέκ (parsec)²) από εμάς. Η μαύρη τρύπα στο κέντρο του εκτιμάται στις δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες, δηλαδή χίλιες φορές πιο μαζική από αυτή του Γαλαξία μας. Για να παρατηρηθεί χρειάστηκαν να συνδυαστούν ραδιοπαρατηρήσεις από οκτώ ραδιοτηλεσκόπια από όλη τη Γη. Για τις λεπτομέρειες των παρατηρήσεων αυτών παραπέμπουμε σε προηγούμενο άρθρο μας – στην ουσία η μάζα της μελανής οπής βρέθηκε από σύγκριση προσομοιώσεων με χρήση γενικής θεωρίας της σχετικότητας με τα δεδομένα των ραδιοτηλεσκοπίων. Το τελικό αποτέλεσμα φαίνεται στην Εικόνα 3.

• Φασματογραφία Ενεργών Γαλαξιακών Πυρήνων

Οι ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες είναι τα πολύ λαμπρά κέντρα γαλαξιών με έντονη δραστηριότητα εκπομπής σε όλο το ηλεκτρομαγνητό φάσμα. Όπως και στους υπόλοιπους γαλαξίες υπάρχουν άστρα και αέρια που κινούνται στο περιβάλλον του πυρήνα, που πιστεύουμε ότι είναι μια υπερμαζική μελανή οπή. Παρότι δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε τις μεμονωμένες τροχιές σε αυτές τις περιπτώσεις, καθώς πρόκειται για μακρινούς γαλαξίες, μελετώντας το φαινόμενο Doppler³ στο φάσμα που λαμβάνουμε (Εικόνα 4) μπορούμε να εκτιμήσουμε την ταχύτητα τους, και κατ’ επέκταση τη μάζα της μαύρης τρύπας

• Λαμπρότητα ενεργών γαλαξιών

Οι ενεργοί γαλαξίες μας δίνουν δύο ακόμα ενδείξεις για την ύπαρξη μαζικών μελανών οπών στο κέντρο γαλαξιών: 1) Φαίνονται πολύ λαμπροί και εκπέμπουν σε υψηλές ενέργειες παρότι βρίσκονται σε μεγάλες αποστάσεις, και 2) η εκπομπή τους αλλάζει σε πολύ μικρή χρονική κλίμακα, ή αλλιώς παρατηρούνται έντονες αλλαγές στην εκπομπή τους. 

Τα στοιχεία αυτά οδηγούν στα εξής συμπεράσματα: 

1) Ότι χρειάζεται ένας πολύ αποδοτικός μηχανισμός για να μπορούν να παραχθούν τέτοιες ενέργειες, και οι μαύρες τρύπες είναι ένας από αυτούς. Η ύπαρξη πιδάκων (jet) σε πολλούς από τους γαλαξίες αυτούς (Εικόνα 5) ενισχύει αυτό το σενάριο [εδώ και εδώ, για το πως μια μαύρη τρύπα μπορεί να είναι η πηγή τέτοιων πιδάκων]. 

2) Ότι χρειάζεται μια αρκετά μικρή περιοχή εκπομπής για να εξηγηθούν οι απότομες χρονικές μεταβολές. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η εκπομπή σχετίζεται με την αλληλεπίδραση διαφορετικών σωμάτων (π.χ. της μαύρης τρύπας με γειτονικό αέριο) και αφού η αλληλεπίδραση δεν μπορεί να συμβεί με ταχύτητες μεγαλύτερες από αυτή του φωτός (βλέπε Αϊνστάιν πάλι!), θα πρέπει τα αλληλεπιδρώντα σώματα να είναι αρκετά κοντά, ώστε να αλληλεπιδρούν με τις συχνότητες που παρατηρούμε στις μεταβολές στην εκπομπή των γαλαξιών αυτών.

Ένας εύκολος τρόπος να “συμπτύξεις” τις μάζες που χρειάζονται για την παραγωγή τόσο ενεργειακών φαινομένων, σε έναν πολύ μικρό χώρο, είναι με τη μορφή υπερμαζικών μελανών οπών!

Θεωρητικές ερμηνείες

Μέχρι στιγμής αναφερθήκαμε σε παρατηρησιακές ενδείξεις, που μας οδηγούν στο συμπέρασμα ότι οι περισσότεροι γαλαξίες έχουν μια υπερμαζική μαύρη τρύπα στο κέντρο τους. Οι φυσικοί βέβαια δεν ικανοποιούνται τόσο εύκολα – οι παρατηρήσεις αφορούν το ένα κομμάτι του παζλ. Το ερώτημα παραμένει: “Εντάξει, βλέπουμε ότι υπάρχουν μαύρες τρύπες στο κέντρο γαλαξιών, αλλά πώς βρέθηκαν εκεί; Αναμένουμε όταν σχηματίζεται ένας γαλαξίας να αποκτήσει μια μαζική μελανή οπή στο κέντρο του;”

Η αλήθεια είναι ότι δεν υπάρχει ξεκάθαρη απάντηση (ακόμα) στο ερώτημα αυτό. Η δημιουργία και η εξέλιξη γαλαξιών είναι πολύπλοκη, με πολλά φυσικά φαινόμενα να αλληλεπιδρούν (βαρύτητα, ακτινοβολία, αστρική εξέλιξη κτλ) οπότε συνήθως απαιτείται η χρήση ισχυρών υπολογιστών και προσομοιώσεων για τη θεωρητική μελέτη τους. Επιπλέον, οι γαλαξίες δε ζουν μοναχοί τους, αλλά αλληλεπιδρούν και συγκρούονται. 

Κάποιος θα έλεγε ότι ο σχηματισμός μιας μαύρης τρύπας δεν είναι κάτι τόσο δύσκολο, αφού οι φυσικοί έχουν κατανοήσει σχετικά καλά πως η βαρυτική κατάρρευση ενός άστρου μπορεί να οδηγήσει σε ένα συμπαγές αντικείμενο και μαύρη τρύπα. Ωστόσο, εδώ μιλάμε για μελανές οπές τεράστιας μάζας, που πρέπει να δημιουργηθούν και σε σύντομο χρονικό διάστημα⁴ για να μπορέσουν να βρεθούν στο κέντρο των πιο απομακρυσμένων γαλαξιών που παρατηρούμε. Για μια αναλυτική συζήτηση του προβλήματος αυτού παραπέμπουμε σε προηγούμενα άρθρα μας, που ασχολούνται με τις σχετικές παρατηρήσεις και ένα από τα θεωρητικά μοντέλα.

Εν κατακλείδι

Μέχρι σήμερα οι επιστήμονες έχουν επιβεβαιώσει ότι στο κέντρο των περισσότερων γαλαξιών υπάρχει μια υπερμαζική μελανή οπή. Όμως, το Σύμπαν δε μας έχει ακόμα “αποκαλύψει” όλα τα μυστικά του, καθώς το πως αυτές σχηματίζονται είναι υπό έρευνα!

Διαβάστε περισσότερα:

• How do we know there’s a black hole in every galaxy centre? [Βίντεο, στα αγγλικά από τη Δρ. Becky Smethurst]. Περιλαμβάνει μια αρκετά αναλυτική ιστορική αναδρομή προς την ανακάλυψη των υπερμαζικών μελανών οπών.

1. Στην πραγματικότητα, επειδή κάποιες από τις τροχιές είναι πολύ κοντά στη μελανή οπή, κάποιος μπορεί να μελετήσει και φαινόμενα σχετικά με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν.
   
2. Το παρσέκ (parsec) είναι μονάδα μέτρησης αποστάσεων στην αστρονομία. Αντιστοιχεί σε περίπου 3.26 έτη φωτός, το οποίο είναι περίπου 30.9 τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα. Για παράδειγμα, η διάμετρος του Γαλαξία μας είναι περίπου 30.000 pc. Η τυπική απόσταση προς άλλους γαλαξίες είναι της τάξης των εκατομμυρίων pc.
   
3. Αλλαγή στη συχνότητα ενός κύματος από παρατηρητή που βρίσκεται σε σχετική κίνηση με την πηγή.
   
4. Από την απαρχή δημιουργίας των πρώτων σωμάτων στο Σύμπαν μας, μέχρι τότε που μπορούμε να παρατηρήσουμε τους πιο μακρινούς γαλαξίες. Σαν τάξη μεγέθους, αυτό σημαίνει ότι θα πρέπει να έχουν σχηματιστεί σε λιγότερο από ένα εκατομμύριο χρόνια, όταν υπολογίζουμε ότι το θερμό Big Bang έλαβε χώρα πριν από περίπου 14 δισεκατομμύρια χρόνια.