Είναι όλες οι μελανές οπές ίδιες;

Οι μελανές οπές (ΜΟ) ή μαύρες τρύπες (black holes)  είναι αστροφυσικά αντικείμενα που έχουν απασχολήσει την επιστημονική κοινότητα για πάνω από 200 χρόνια. Μάλιστα, έχουν αποτελέσει πηγή έμπνευσης για ένα μεγάλο φάσμα καλλιτεχνών, από συγγραφείς επιστημονικής φαντασίας μέχρι μουσικούς. Ιδιαίτερα τα τελευταία 100 χρόνια μετά την ανάπτυξη της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (ΓΘΣ), της καθιερωμένης θεωρίας βαρύτητας, και της Κβαντομηχανικής, η μελέτη των ΜΟ έγινε πιο “εύκολη”, οδηγώντας όμως σε ένα μεγάλο αριθμό ερωτημάτων γύρω από τη φύση τους. 

Οι ΜΟ εν γένει μπορούν να χαρακτηριστούν από τρεις παραμέτρους. Τη μάζα, το σπιν και το φορτίο τους. 

Σπιν και φορτίο

Ο τρόπος που κατανοούμε το τι συμβαίνει γύρω μας βασίζεται στην Ευκλείδεια γεωμετρία ωστόσο, οι γνωστές μας έννοιες του μήκους αλλάζουν στο περιβάλλον μιας ΜΟ. Το 1915 ο Karl Schwarzschild (1873-1916) κατάφερε να περιγράψει μαθηματικά μέσω της ΓΘΣ το χωροχρόνο γύρω από ένα σώμα το οποίο 1) είναι σφαιρικά συμμετρικό, 2) δεν περιστρέφεται και 3) γενικά δε μεταβάλλεται. Ο χώρος Schwarzschild επομένως μπορεί να περιγράψει τι συμβαίνει γύρω από μια ΜΟ που δεν έχει φορτίο και δεν περιστρέφεται. Οι ΜΟ που δε φέρουν ηλεκτρικό φορτίο και δεν περιστρέφονται, χαρακτηρίζονται ως ΜΟ τύπου Schwarzschild προς τιμήν του ομωνύμου επιστήμονα. 

Πολύ σύντομα, το 1916, οι Hans Reissner (1874-1967) και Gunnar Nordström (1881-1923), ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον, κατάφεραν να περιγράψουν το χωροχρόνο γύρω από ένα ηλεκτρικά φορτισμένο σφαιρικό σώμα που δεν περιστρέφεται . Αυτού του τύπου οι ΜΟ χαρακτηρίζονται ως Reissner–Nordström προς τιμήν των δυο επιστημόνων. 

Χρειάστηκαν να περάσουν περί τα 50 χρόνια, όταν το 1963 ο Roy Kerr (1934-) κατάφερε να μελετήσει το χωροχρόνο γύρω από μια ΜΟ η οποία αν και δε φέρει φορτίο, περιστρέφεται! Αυτού του τύπου οι ΜΟ χαρακτηρίζονται ως (καλά μαντέψατε) Kerr. Η γενίκευση του χωροχρόνου γύρω από μια περιστρεφόμενη, αλλά και φορτισμένη ΜΟ ήρθε πολύ σύντομα, το 1965, από τους Roy Kerr και  Ezra T. Newman (1929-2021). Αυτού του τύπου ΜΟ επομένως χαρακτηρίζονται ως Kerr-Newman. Μέχρι στιγμής έχουμε καταφέρει να εντοπίσουμε μονάχα ΜΟ τύπου Schwarzschild και Kerr (χωρίς ωστόσο να έχουμε ακριβείς εκτιμήσεις του σπιν για να είμαστε σίγουροι ότι είναι μηδενικό τύπου Schwarzschild), δηλαδή δεν έχουμε εντοπίσει ηλεκτρικά φορτισμένες ΜΟ. 

Μάζα

Η τρίτη παράμετρος που χαρακτηρίζει μια ΜΟ είναι η μάζα της. Αυτή τη στιγμή στο Σύμπαν έχουμε καταφέρει να εντοπίσουμε ΜΟ των οποίων οι μάζες κυμαίνονται μεταξύ 5 και 100 φορές τη μάζα του Ήλιου μας, καθώς και από 1.000.000 έως 10.000.000.000.000 (χίλια δισεκατομμύρια ή 10¹³) τη μάζα του Ήλιου (μια μικρή υπενθύμιση εδώ, η μάζα του Ήλιου είναι περίπου 2×10³⁰ kg). Προφανώς και οι παραπάνω αριθμοί είναι στρογγυλοποιημένοι για απλούστευση, αλλά μας επιτρέπουν να κατανοήσουμε το εύρος τιμών που καλύπτει η μάζα μιας ΜΟ.

Οι ΜΟ που έχουν μάζα στο πρώτο εύρος τιμών, χαρακτηρίζονται ως αστρικές ΜΟ και μπορεί να είναι διασκορπισμένες εντός των γαλαξιών. Τις συγκεκριμένες ΜΟ τις εντοπίζουμε είτε ως μέλη διπλών αστρικών συστημάτων, είτε μέσω των βαρυτικών κυμάτων που παράγουν σε περίπτωση συγχώνευσής τους με άλλο άστρο ή ΜΟ. 

Το δεύτερο εύρος τιμών μάζας μιας ΜΟ, αυτό δηλαδή μεταξύ εκατομμυρίων και δισεκατομμυρίων φορών τη μάζα του Ήλιου, χαρακτηρίζει τις υπερμεγέθεις ΜΟ, και μιλάμε για ΜΟ που βρίσκονται στα κέντρα γαλαξιών. Ο δικός μας Γαλαξίας δεν αποτελεί εξαίρεση και φιλοξενεί μια ΜΟ στο κέντρο του με μάζα περί τα 4 εκατομμύρια ηλιακές μάζες. 

Μια εύλογη ερώτηση που μπορεί να προκύψει σε αυτό το σημείο είναι η εξής: “δεν υπάρχουν ΜΟ ελαφρύτερες από 5 φορές τη μάζα του Ήλιου ή μεταξύ 100 και 1.000.000;” 

Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα είναι ότι δε γνωρίζουμε με σιγουριά προς το παρόν. ΜΟ με μάζα μικρότερη των 5 ηλιακών μαζών προβλέπεται συνήθως από μοντέλα “αρχέγονων MO” δηλαδή για μαύρες τρύπες που δημιουργούνται στο νεαρό Σύμπαν σε διάφορα κοσμολογικά σενάρια, και όχι από το θάνατο κάποιου άστρου. Ειδικά αυτές που φέρουν αρκετά μικρό υποπολλαπλάσιο της μάζας του Ήλιου, θα έπρεπε να είχαν εξαϋλωθεί (βλέπε ακτινοβολία Hawking), αλλά μέχρις στιγμής δεν έχουμε εντοπίσει την υπογραφή μιας τέτοιας εξαΰλωσης. MO από την άλλη που μπορεί να βρίσκονται στο εύρος μεταξύ εκατομμυρίων και δισεκατομμυρίων φορές τη μάζα του Ήλιου, γνωστές και ως ενδιάμεσες ΜΟ (intermediate στα αγγλικά) δεν έχουν εντοπιστεί με σιγουριά προς το παρόν. Οι επιστήμονες προσπαθούν να εντοπίσουν αυτές τις ΜΟ όταν κάποιο άστρο καταστραφεί λόγω των παλιρροικών δυνάμεων που θα του ασκηθούν όταν έρθει πολύ κοντά στη ΜΟ.

Συνοψίζοντας λοιπόν, προφανώς και όλες οι ΜΟ δεν είναι ίδιες μεταξύ τους αλλά ο τρόπος που μπορούμε να τις περιγράψουμε ώστε να τις κατανοήσουμε καλύτερα, παραμένει σε γενικές γραμμές ενιαίος.