Ποιες είναι οι βασικές περιοχές ενδιαφέροντος μιας μελανής οπής;

Οι μελανές οπές ή μαύρες τρύπες είναι κάποια από τα πιο μυστήρια αντικείμενα που έχουν ανακαλυφθεί στο Σύμπαν. Συνήθως αποτελούν το κατάλοιπο της βίαιης έκρηξης μεγάλων άστρων (με μάζα μεγαλύτερη από περίπου 20 ηλιακές μάζες) στις τελευταίες στιγμές της ζωής τους. Για πρώτη φορά, την ύπαρξη τους προέβλεψε ο Άγγλος κληρικός John Michell¹ το 1783,  στηριζόμενος στη θεωρία του Νεύτωνα ότι το φως αποτελείται από σωματίδια. Υποστήριξε πως φωτόνια που εξέρχονται από την επιφάνεια ενός άστρου επιβραδύνονται από τη βαρυτική του επίδραση, και θεωρώντας αρκούντως μεγάλο άστρο, αυτά θα “ξαναέπεφταν” στην επιφάνεια του. Έπρεπε να φτάσουμε στον 20 αιώνα² όμως μέχρι η ιδέα αυτή να λάβει πιο αυστηρή φυσική και μαθηματική θεμελίωση, μέσω της θεωρίας της γενικής σχετικότητας, και να αρχίσει η αναζήτηση για τέτοια αντικείμενα στο σύμπαν.

Σήμερα γνωρίζουμε πως οι μελανές οπές όχι μόνο είναι πραγματικές, αλλά και πως έρχονται σε πολλά μεγέθη, από μερικές δεκάδες φορές έως και μερικές εκατομμύρια φορές τη μάζα του ήλιου. Όμως υπάρχουν ακόμα πολλά άλυτα προβλήματα που δυσκολεύουν την πλήρη κατανόηση τους, και πολλές φορές τα φυσικά μοντέλα που έχουμε δημιουργήσει δεν επαρκούν για να εξηγήσουν τη συμπεριφορά τους. Ωστόσο, οι μελανές οπές μπορούν να θεωρηθούν πως είναι σχετικά απλά αντικείμενα, και αρκεί μόνο να γνωρίζουμε τρεις ποσότητες τους για να τις χαρακτηρίσουμε: τη μάζα, το φορτίο τους και τη στροφορμή τους.

Συγκεκριμένα, μόνο η μάζα αρκεί για να υπολογίσουμε μια από τις σημαντικότερες παραμέτρους μια μελανής οπής, την ακτίνα Schwarzschild (Σβάρσιλντ) που πρόκειται για την απόσταση από τη μελάνη οπή από την οποία ούτε το φως μπορεί να δραπετεύσει, λόγω του ισχυρότατου βαρυτικού πεδίου της. Το σύνορο της περιοχής αυτής ονομάζεται και ορίζοντας γεγονότων, και είναι σχεδόν αδύνατο να πούμε με σιγουριά τι συμβαίνει μέσα σε αυτήν.

Λίγο παραέξω του ορίζοντα γεγονότων, σε απόσταση 1,5 φορές την ακτίνα Schwarzschild (για μη περιστρεφόμενες μελανές οπές) υπάρχει η σφαίρα φωτονίων. Πρόκειται για μια περιοχή μηδενικού πάχους στην οποία η βαρυτική δύναμη είναι ακριβώς αρκετή ώστε φωτόνια να αναγκάζονται να εκτελούν κυκλικές τροχιές γύρω από τη μελάνη οπή. Εφαπτόμενα στην επιφάνεια της σφαίρας αυτής, ένα φωτόνιο που εκπέμπεται από το πίσω μέρος του κεφαλιού μας μπορεί να εκτελέσει μια τροχιά γύρω από τη μελάνη οπή και να καταλήξει τελικά στα μάτια μας, επιτρέποντας μας να δούμε το πίσω μέρος του κεφαλιού μας!

Στις 3 ακτίνες Schwarzschild βρίσκεται η τελευταία εσωτερική σταθερή κυκλική τροχιά (innermost stable circular orbit). Πρόκειται για τη μεγαλύτερη απόσταση στην οποία ένα μαζικό αντικείμενο (πχ όχι φωτόνιο) θα μπορούσε να παραμείνει σε μια τροχιά γύρω από τη μελάνη οπή, έστω και ασταθή. Οποιοδήποτε αντικείμενο βρεθεί εσωτερικότερα αυτού του συνόρου θα οδηγηθεί αναγκαστικά προς το κέντρο της μελανής οπής, λόγω φαινομένων που προκύπτουν από τη θεωρία γενικής σχετικότητας.

Τέλος, μια από τις πιο ενδιαφέρουσες περιοχές μελανών οπών προκύπτει μόνο στην περίπτωση που αυτές περιστρέφονται, δηλαδή όταν έχουν μη μηδενική στροφορμή.  Η περιοχή αυτή ονομάζεται η εργόσφαιρα, έχει πολοειδή μορφή, σαν αυτή μιας κολοκύθας (Εικόνα 1 – ergosphere) και προκύπτει επειδή η μελάνη οπή κυριολεκτικά “σέρνει” μέσω της περιστροφής της τον χωροχρόνο στο άμεσο περιβάλλον της. Ως αποτέλεσμα, ένα σωματίδιο μέσα σε αυτήν είναι αδύνατον να φαίνεται ακίνητο για έναν εξωτερικό παρατηρητή. Η ιδιότητα αυτή έχει πολύ ενδιαφέρουσες συνέπειες, αφού μαθηματικά προκύπτει πως είναι εφικτό να αποσπάσει κάποιος ενέργεια εις βάρος της περιστροφής της μελανής οπής. Με λίγα λόγια, η μελάνη οπή θα μπορούσε να δράσει ως πηγή ενέργειας, μέχρις ότου να μηδενιστεί τελείως η περιστροφή της και να εξαφανιστεί η εργόσφαιρά της.

Από τα παραπάνω, γίνεται φανερό γιατί οι μελανές οπές θεωρούνται ορισμένα από τα πιο εξωτικά αντικείμενα που γνωρίζουμε. Με τις σύγχρονες προσπάθειες που γίνονται για τον συνδυασμό βαρύτητας και κβαντομηχανικής, το μόνο σίγουρο είναι πως τα πράγματα θα γίνουν ακόμα πιο παράξενα… 

¹Αντίστοιχη σκέψη, με πιο λεπτομερή μαθηματική τεκμηρίωση, είχε και ο Laplace λίγα χρόνια αργότερα –  πληροφορίες εδώ.

²Φαίνεται ότι ένας λόγος που “παρατήθηκε” η ιδέα, ήταν ότι βρέθηκε ότι το φως έχει κυματικό χαρακτήρα, οπότε η ιδέα για τα σωματίδια έπεσε κάπως στην αφάνεια.