Οι «βαρυτικές δίνες» στη γειτονιά μιας μαύρης τρύπας. Gravitational vortex provides new way to study matter close to a black hole

Καλλιτεχνική απεικόνιση του διαστημικού τηλεσκοπίου XMM-Newton της ESA. Artist's impression of the XMM-Newton observatory. Credit: ESA

Μια ομάδα αστρονόμων (Adam Ingram et al) χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του διαστημικού τηλεσκοπίου ακτίνων Χ, XMM-Newton της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος (ESA), μέτρησε αυτή την «ταλάντωση» παρατηρώντας την χαρακτηριστική γραμμή εκπομπής Χ του σιδήρου, και την ερμήνευσε ως  απόδειξη του φαινομένου Lense-Thirring στο ισχυρό βαρυτικό πεδίο μιας μαύρης τρύπας.

Η ανακάλυψη, στην οποία συνέβαλε και το διαστημικό τηλεσκόπιο NuSTAR της NASA, δίνει τέλος σε έναν γρίφο που έμενε άλυτος εδώ και 30 χρόνια, ενώ θα επιτρέψει στους επιστήμονες να μελετήσουν πώς συμπεριφέρεται η ύλη που βρίσκεται κοντά σε μία μαύρη τρύπα. Επίσης, θα ανοίξει τον δρόμο για πειραματικό έλεγχο της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας στην περίπτωση ισχυρών βαρυτικών πεδίων.

Ακολουθώντας μία σπειροειδή τροχιά που θα την οδηγήσει μέσα στη μαύρη τρύπα, η ύλη θερμαίνεται αποκτώντας θερμοκρασία εκατομμυρίων Κελσίου. Έτσι, αρχίζει να εκπέμπει ακτίνες Χ στο διάστημα.

Τη δεκαετία του 1980, αστρονόμοι παρατήρησαν πως η ένταση των ακτίνων Χ μεταβάλλεται, και μάλιστα με ένα συγκεκριμένο μοτίβο. Αρχικά, ανάμεσα στο μέγιστο και το ελάχιστο της έντασης μεσολαβούν 10 δευτερόλεπτα, ένας χρόνος που ελαττώνεται με την πάροδο των εβδομάδων και των μηνών, έως ότου μηδενισθεί.

Το φαινόμενο ονομάζεται ημι-περιοδική ταλάντωση (QPO), για το οποίο ήδη από τη δεκαετία του 1990 αρκετοί αστρονόμοι υποπτεύθηκαν ότι οφείλεται σε ένα φαινόμενο που προέβλεψε ο Αϊνστάιν, στο πλαίσιο της Γενικής Σχετικότητας. Σύμφωνα με αυτό το φαινόμενο, ένα περιστρεφόμενο σώμα στρέφει μαζί του τον χωρόχρονο, με συνέπεια να δημιουργείται τοπικά μία «βαρυτική δίνη».

«Φανταστείτε ότι περιστρέφεται ένα κουτάλι μέσα σε μέλι. Τότε, οποιοδήποτε μικρό σωματίδιο βρίσκεται μέσα στο μέλι θα συμπαρασυρθεί στην κίνηση του κουταλιού», εξηγεί στην ιστοσελίδα της ESA ο αστρονόμος Άνταμ Ίνγκραμ, από το πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ και μέλος της ομάδας. «Κάτι που σημαίνει πως οτιδήποτε κινείται σε τροχιά γύρω από το περιστρεφόμενο σώμα, λόγω αυτού του φαινομένου, θα επηρεασθεί η πορεία του».

Στην παραπάνω εικόνα βλέπουμε την καλλιτεχνική άποψη του δίσκου προσαύξησης μιας μαύρης τρύπας, η εσωτερική περιοχή του οποίου υφίσταται μετάπτωση. H περιστροφή μιας μαύρης τρύπας προκαλεί τον στροβιλισμό του χώρου γύρω της και τα εσωτερικά τμήματα του δίσκου προσαύξησης συγκρατούνται στο ισημερινό επίπεδο της τρύπας. Στα τρία αυτά στιγμιότυπα, ο εσωτερικός δίσκος εκπέμπει υψηλής ενέργειας ακτινοβολία η οποία προσπίπτει στην ύλη της εξωτερικής περιοχής του δίσκου προσαύξησης, προκαλώντας τα άτομα σιδήρου σ’ αυτή την περιοχή να εκπέμπουν ακτίνες Χ. Η εκπομπή αυτών των ακτίνων Χ παριστάνεται ως μια λάμψη που «ταλαντώνεται» στον δίσκο προσαύξησης, δείτε: προς τα δεξιά (εικόνα α), προς τα εμπρός (εικόνα β) και προς τα αριστερά (εικόνα γ).Artist's impression of a black-hole system that exhibits the Lense-Thirring effect. Credit: ESA/ATG medialab

Αν το επίπεδο της τροχιάς του αντικειμένου είναι κεκλιμένο, τότε το αποτέλεσμα θα είναι η τροχιά να αρχίζει να αλλάζει προσανατολισμό με περιοδικό τρόπο, επιστρέφοντας έπειτα από έναν «κύκλο» στην αρχική της κατάσταση. Αυτή η περιοδική αλλαγή προσανατολισμού της τροχιάς ονομάζεται φαινόμενο Lense-Thirring και, στην περίπτωση μίας μαύρης τρύπας, ένας τέτοιος «κύκλος» διαρκεί ελάχιστα δευτερόλεπτα.

Επομένως, η διάρκειά του είναι περίπου ίδια με την περίοδο των QPO. Κάτι που έκανε τους επιστήμονες να υποθέσουν πως τα δύο φαινόμενα συνδέονται.

Ο Ίνγκραμ ξεκίνησε να εργάζεται πάνω στο πρόβλημα περίπου πριν από μία δεκαετία, μελετώντας τη συμπεριφορά του «δίσκου συσσώρευσης», δηλαδή του δίσκου που σχηματίζει η ύλη γύρω από μία μαύρη τρύπα, καθώς κινείται σε σπειροειδή τροχιά για να καταλήξει σε αυτήν. Ήταν ήδη γνωστό ότι το τμήμα του δίσκου που βρίσκεται κοντά στη μαύρη τρύπα μετατρέπεται σε θερμό πλάσμα, όπου τα άτομα «ξεγυμνώνονται» από τα ηλεκτρόνιά τους, τα οποία κινούνται ελεύθερα σε όλη τη μάζα.

Ήδη από το 2009, μαζί με συναδέλφους του ο Ολλανδός επιστήμονας υποστήριζε σε επιστημονικό άρθρο του πως οι αυξομειώσεις της έντασης των ακτίνων Χ οφείλονται στο φαινόμενο Lense-Thirring, και πιο συγκεκριμένα στους «κύκλους» αλλαγής προσανατολισμού της τροχιάς της ύλης σε αυτό το εσωτερικό τμήμα του δίσκου. Ωστόσο, παρόλο που στο άρθρο περιγραφόταν ο μηχανισμός, δεν υπήρχαν παρατηρησιακά δεδομένα που να τον αποδεικνύουν.

Τα παρατηρησιακά δεδομένα προέκυψαν από την ακτινοβολία που εκπέμπουν τα άτομα σιδήρου στον δίσκο, καθώς «βομβαρδίζονται» από την ενέργεια που απελευθερώνει το εσωτερικό τμήμα. Η ακτινοβολία αυτή ανήκει στο φάσμα των ακτίνων Χ και, αν η ύλη σε αυτό το εσωτερικό τμήμα του δίσκου ακολουθεί όντως «κύκλους» αλλαγής προσανατολισμού, τότε θα έπρεπε η συχνότητα των ακτίνων Χ από τα άτομα σιδήρου να μεταβάλλεται με ανάλογο τρόπο.

Έτσι, τώρα ο Ίνγκραμ με συναδέλφους του από το Άμστερνταμ, το Κέιμπριτζ, το Σαουθάμπτον και το Τόκιο, έβαλαν στο «μικροσκόπιο» τη μαύρη τρύπα H 1743-322, συγκεντρώνοντας με το τηλεσκόπιο XMM-Newton δεδομένα διάρκειας 260.000 δευτερόλεπτα και με το NuSTAR 70.000 δευτερολέπτων.

Αναλύοντας τις μετρήσεις, διαπίστωσαν πως η συχνότητα των ακτίνων Χ του σιδήρου συμφωνεί με της προβλέψεις της Γενικής Σχετικότητας. «Ουσιαστικά μετρήσαμε άμεσα την κίνηση της ύλης σε ένα ισχυρό βαρυτικό πεδίο, κοντά σε μία μαύρη τρύπα», σχολιάζει ο επιστήμονας.

Η ίδια τεχνική μπορεί να αποτελέσει ένα ισχυρό εργαλείο για τον έλεγχο της Γενικής Σχετικότητας, η οποία δεν έχει επιβεβαιωθεί σε τόσο ισχυρά βαρυτικά πεδία. Επομένως, αν οι αστρονόμοι μπορούν να κατανοήσουν τη συμπεριφορά της ύλης που «εξαφανίζεται» μέσα σε μία μαύρη τρύπα, θα μπορούν να την αξιοποιήσουν για να ελέγξουν τις προβλέψεις της θεωρίας του Αϊνστάιν σε έως σήμερα «ανεξερεύνητες περιοχές».

Οποιαδήποτε απόκλιση από τις προβλέψεις της θα αποτελεί ένδειξη πως υπάρχει μία βαθύτερη θεωρία για την περιγραφή της βαρύτητας, αφού η Γενική Σχετικότητα δεν αποτελεί την «τελευταία λέξη» της φυσικής για την ερμηνεία της.

Πηγή: «Gravitational vortex provides new way to study matter close to a black hole»