Τι είναι οι “Μαύρες τρύπες απευθείας κατάρρευσης”; Μέρος 1ο – Παρατηρήσεις

Οι μαύρες τρύπες έρχονται σε διάφορα μεγέθη! Στο άρθρο αυτό θα μας απασχολήσουν οι πιο μαζικές από αυτές: οι μαύρες τρύπες που βρίσκονται στα κέντρα των πιο μακρινών γαλαξιών και που “ζυγίζουν” δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες! Ας πάρουμε όμως τα πράγματα από την αρχή.

Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι κάθε γαλαξίας έχει στο κέντρο του  μια υπερμαζική μελανή οπή. Θα δούμε το γιατί σε επόμενο άρθρο, οπότε για την ώρα θα το θεωρήσουμε ως δεδομένο.  Αυτές οι μελανές οπές θεωρείται ότι δημιουργούνται και μεγαλώνουν με βάση τους παρακάτω μηχανισμούς. Όσον αφορά στη δημιουργία τους, τα ήδη γνωστά σενάρια είναι δύο: οι εκρήξεις υπερκαινοφανών, με την επακόλουθη βαρυτική κατάρρευση σε μαύρη τρύπα, και οι συγχωνεύσεις αστέρων νετρονίων. Ως προς την εξέλιξη τους, αυτή καθορίζεται: (i) από την πρόσπτωση ύλης σε αυτές και (ii) από τη συγχώνευση με άλλες μαύρες τρύπες (για παράδειγμα, όταν συγκρούονται δύο γαλαξίες). Ποια είναι λοιπόν η συνολική εικόνα; Πολύ συνοπτικά, κατά τον σχηματισμό των πρώτων γαλαξιών το υλικό που συσσωρεύεται στο κέντρο τους δημιουργεί τα πρώτα άστρα, που στη συνέχεια καταλήγουν στις πρώτες μαύρες τρύπες με βάση τους παραπάνω μηχανισμούς. Αυτοί παράγουν σχετικά μικρές μαύρες τρύπες, δηλαδή με μάζες από 1 εώς 100 ηλιακές μάζες περίπου. Οι μαύρες τρύπες αυτές θα μεγαλώσουν από την πρόσπτωση ύλης και από συγχωνεύσεις με άλλες μαύρες τρύπες και τελικά θα γίνουν οι εκατομμυρίων ηλιακών μαζών μελανές οπές, που παρατηρούμε στους γαλαξίες γύρω μας. Να σημειώσουμε εδώ ότι οι φυσικοί εικάζουν ότι μπορεί να υπάρχουν και μαύρες τρύπες με τιμές μάζας μεταξύ των δύο παραπάνω κατηγοριών, που σαω συνέπεια ονομάζονται “ενδιάμεσες μελανές οπές”, αλλά μέχρι στιγμής δεν έχει επιβεβαιωθεί η ύπαρξη τους.

Μέχρι στιγμής όλα βαίνουν καλώς! Την εικόνα όμως θα χαλάσουν, οι ενεργοί γαλαξίες, δηλαδή πολύ λαμπροί γαλαξίες, όπως οι κβάζαρ, που μπορούν να παρατηρηθούν σε πολύ μεγάλες αποστάσεις (ή με άλλα λόγια μεγάλες ερυθρομετατοπίσεις). Για να μπορούν να είναι ορατοί τόσο μακριά σημαίνει ότι η ενέργεια τους πρέπει να πηγάζει από τον πιο αποδοτικό μηχανισμό που γνωρίζουμε: την πρόσπτωση ύλης σε μία μαύρη τρύπα! Μάλιστα οι μαύρες τρύπες πρέπει να είναι πολύ μαζικές, έως και δισεκατομμύρια φορές πιο μεγάλες από τον Ήλιο μας! Και εδώ αρχίζουν τα προβλήματα: οι γαλαξίες αυτοί εντοπίζονται σε πολύ μεγάλες αποστάσεις, ή ισοδύναμα, όταν το Σύμπαν ήταν ακόμα πολύ νεαρό¹. Κι όμως, φαίνεται να έχουν στο κέντρο τους κάποιες από τις πιο μαζικές μαύρες τρύπες που γνωρίζουμε. Πώς όμως μεγάλωσαν αυτές τόσο γρήγορα (βλέπε για παράδειγμα Εικόνα 1);

Σε αυτό το σημείο κάποιος δικαίως θα αναρωτηθεί, μα δεν φτάνει το υλικό που προσπίπτει σε αυτές τις αρχικές μαύρες τρύπες μικρότερης μάζας, για να γίνουν όσο μαζικές τις παρατηρούμε στη συνέχεια στο κέντρο των γαλαξιών; Αν όχι, μήπως απλώς τροφοδοτούνται με παραπάνω υλικό από όσο περιμέναμε; Στην πραγματικότητα, αυτό αποτελεί ένα από τα πιθανά σενάρια. Ωστόσο, παρουσιάζει δύο δυσκολίες: 1) δεν μπορούμε να τροφοδοτήσουμε τις μαύρες τρύπες με όσο υλικό θέλουμε και 2) ακόμα και αν μπορούσαμε να ξεπεράσουμε αυτό το όριο, πιστεύουμε ότι αυτό μπορεί να γίνει μόνο παροδικά και σε ειδικές συνθήκες που δεν είναι πάντα εύκολο να πραγματοποιηθούν.

Τι άλλο μπορούμε να κάνουμε; Οι επιστήμονες σκέφτηκαν μια εναλλακτική: Αν οι αρχικές μαύρες τρύπες δεν είναι πολύ μαζικές για να μεγαλώσουν σε τόσο σύντομο διάστημα με την αναμενόμενη πρόσπτωση ύλης, τι θα γίνει αν θεωρήσουμε ότι είναι εκ γενετής μεγαλύτερες; Δηλαδή, αντί να υποθέσουμε μαύρες τρύπες της τάξης των εκατοντάδων ηλιακών μαζών, γιατί να μη χρησιμοποιήσουμε μαύρες τρύπες που ξεκινάνε τη ζωή τους με δεκάδες χιλιάδες ηλιακές μάζες; Τότε θα μπορούσαμε με μια “φυσιολογική” πρόσπτωση ύλης, να σχηματίσουμε σχετικά εύκολα υπερμαζικές μελανές οπές στον χρόνο που χρειάζεται, με άλλα λόγια στον χρόνο που παρατηρούμε τους πιο μακρινούς κβάζαρ!

Σε επόμενο άρθρο, θα δούμε κάτω από ποιες συνθήκες μπορούμε να έχουμε τέτοιες μαζικές μελανές οπές και πώς τις μελετούν οι επιστήμονες.

1. Για να είμαστε πιο ακριβείς, ο χρόνος που χρειάζεται πρέπει να μετράται (τουλάχιστον) μετά τον σχηματισμό των πρώτων ουδέτερων ατόμων, δηλαδή μετά την απελευθέρωση της ακτινοβολίας υποβάθρου. Στην ουσία, επειδή αυτή υπολογίζεται στα 380.000 μετά τις πρώτες στιγμές του Σύμπαντος, νούμερο αρκετά μικρό σε σχέση με τα εκατομμύρια χρόνια που παρατηρούνται οι πρώτοι γαλαξίες, είναι αρκετά καθιερωμένο ο χρόνος να αναφέρεται σε σχέση με τις αρχικές στιγμές του Σύμπαντος!

Επιπλέον υλικό:

• Βίντεο (στα αγγλικά): Unsolved Mystery in Physics | Direct Collapse Black Holes