Είναι οι μαύρες τρύπες πιο αποδοτικές (ενεργειακά)… από μία πυρηνική έκρηξη;

E=mc² – ίσως η πιο διάσημη εξίσωση της Φυσικής. Διατυπωμένη από τον Αϊνστάιν το 1905, η εξίσωση αυτή συνδέει την ενέργεια Ε με τη μάζα m ενός σώματος, όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός. Με λίγα λόγια, μας λέει ότι αν μπορούσαμε να εξαϋλώσουμε ένα σωματίδιο συγκεκριμένης μάζας, θα παίρναμε την αντίστοιχη ποσότητα ενέργειας. Βέβαια, αυτό θα σήμαινε 100% απόδοση σε ενέργεια, που αναμένεται μόνο σε αντιδράσεις στοιχειωδών σωματιδίων.

Τα πιο ρεαλιστικά – για τον άνθρωπο – περιβάλλοντα, για παράδειγμα οι χημικές αντιδράσεις, έχουν απειροελάχιστη απόδοση (της τάξης του 0.000000001%). Για να “ανεβάσουμε” την απόδοση, πρέπει να κοιτάξουμε πολύ πιο ισχυρά φαινόμενα, όπως είναι οι πυρηνικές αντιδράσεις. Παρόλα αυτά, είτε μελετήσουμε μια πυρηνική έκρηξη, είτε τις αντιδράσεις σύντηξης υδρογόνου στο εσωτερικού του Ήλιου, η απόδοση κυμαίνεται περίπου στο “απογοητευτικό” 0.1-0.7%. 

Παραδόξως ίσως, για να εκμεταλλευτούμε στο έπακρο την πιο διάσημη εξίσωση στον κόσμο, θα πρέπει να κοιτάξουμε τα πιο εξωτικά και περίεργα αστροφυσικά αντικείμενα: τις Μαύρες Τρύπες! Πως γίνεται όμως αυτό, αφού οι μαύρες τρύπες παίρνουν το όνομα τους από τη χαρακτηριστική τους ιδιότητα, ότι δεν “αφήνουν” ούτε το φως να διαφύγει από αυτές;

Το φως, όπως και οποιοδήποτε άλλο σώμα, δε μπορεί να διαφύγει από μια μαύρη τρύπα όταν περάσει πίσω από τον ορίζοντα γεγονότων της, ωστόσο την ίδια στιγμή οι μαύρες τρύπες μπορούν να δράσουν σαν τεράστιοι “επιταχυντές”, που μπορούν να οδηγήσουν σε τρομακτικά υψηλές ταχύτητες τα σώματα που πέφτουν σε αυτές. Αυτό συμβαίνει γιατί μια μεγάλη ποσότητα μάζας περιορίζεται σε έναν πολύ μικρό χώρο (αν η Γη γινόταν “μαγικά” μαύρη τρύπα, θα είχε διαστάσεις όσο ένα μπαλάκι του πινγκ-πονγκ), δίνοντας της τη δυνατότητα να επιταχύνει τα κοντινά σώματα για πολύ περισσότερο χρόνο από ότι αν έπεφταν στη προηγούμενη επιφάνειά της. Έτσι, τα σώματα μπορούν πλέον να φτάσουν πολύ κοντά στη πηγή βαρυτικής έλξης, με αποτέλεσμα οι επιταχύνσεις που δέχονται να είναι πολύ μεγάλες. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, οι μαύρες τρύπες να είναι τα πιο αποδοτικά ενεργειακά αντικείμενα στο Σύμπαν.

Πιο συγκεκριμένα, μια μελανή οπή Schwarzschild – η πιο απλή, μη περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα – μπορεί να έχει ενεργειακή απόδοση κοντά στο 6%. Ακόμα πιο εντυπωσιακά, μια μελανή οπή Kerr – μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα – μπορεί να έχει, θεωρητικά, μέχρι και 42% απόδοση! Αυτό συμβαίνει όταν η μαύρη τρύπα περιστρέφεται με τη μέγιστη δυνατή ταχύτητα και η τροχιά του προσπίπτοντος σώματος ακολουθεί τη φορά περιστροφής*. 

Κλείνοντας να σημειώσουμε ότι τα παραπάνω δεν είναι απλώς θεωρητικοί υπολογισμοί, αλλά συνδέονται και με παρατηρησιακά δεδομένα. Πιο συγκεκριμένα με πολύ υψηλές λαμπρότητες συστημάτων που περιλαμβάνουν μαύρες τρύπες. Ο μηχανισμός που οδηγεί σε αυτές τις φωτεινότητες θεωρείται ότι είναι ένας δίσκος προσαύξησης (δείτε Εικόνα). Εκεί ένα σωματίδιο που έχει επιταχυνθεί σε πολύ μεγάλες ταχύτητες από τη μαύρη τρύπα, συγκρούεται με τα γειτονικά του, εκλύοντας ενέργειες σε μορφή πολύ ισχυρής ακτινοβολίας. Την ακτινοβολία αυτή (ακτίνες Χ κυρίως) μπορούμε να τη μετρήσουμε με διαστημικά τηλεσκόπια και, συνδυάζοντας τη με πληροφορίες για την απόσταση της πηγής, μπορούμε να τη χρησιμοποιήσουμε για να εξάγουμε φυσικές πληροφορίες, όπως την ισχύ της πηγής! 

*Σε περίπτωση που ακολουθεί αντίστροφη φορά, η απόδοση πέφτει στο περίπου 4%. Να σημειώσουμε πάντως πως μια τέτοια κατάσταση μέγιστης περιστροφής δεν αναμένεται σε ρεαλιστικές μελανές οπές για διάφορους λόγους, όπως οι επιδράσεις της περιβάλλουσας ακτινοβολίας σε αυτές. Σαν αποτέλεσμα, ρεαλιστικές ταχύτητες περιστροφής είναι λίγο μικρότερες. Παρόλα αυτά είναι ικανές να οδηγήσουν σε εξίσου τρομακτικές αποδόσεις, της τάξης του 30%!

Περαιτέρω υλικό:

• Μπορείτε να βρείτε ένα ενδιαφέρον βίντεο που συνοψίζει τα παραπάνω εδώ (https://www.youtube.com/watch?v=t-O-Qdh7VvQ)