Το μικρό βιβλίο των μαύρων τρυπών. The Little Book of Black Holes

A black hole cannot hide another object (in this case another black hole) that passes directly behind it. Instead, the object in the background will appear like a ring surrounding the one in the foreground. Credit: ALAIN RIAZUELO/INSTITUT D’ASTROPHYSIQUE DE PARIS

Αν και η ίδια η θεωρία του, η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, προβλέπει τις μαύρες τρύπες, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν δεν πίστεψε ποτέ ότι υπάρχουν. Πολλοί του δίνουν σε έναν βαθμό δίκιο, αφού οι μελανές οπές είναι τα πιο αλλόκοτα αντικείμενα που γνωρίζουμε στο Σύμπαν. Σήμερα κανείς δεν αμφισβητεί τη «σκοτεινή» παρουσία τους. Τις τελευταίες πέντε δεκαετίες έχουν περιγραφεί θεωρητικά και έχουν εντοπιστεί γύρω μας, ακόμη και στο κέντρο του ίδιου του γαλαξία μας. Και τον τελευταίο ενάμιση χρόνο η ύπαρξή τους έχει επιτέλους αποδειχθεί πέραν πάσης αμφιβολίας, με τις επανειλημμένες ανιχνεύσεις βαρυτικών κυμάτων που προήλθαν από συγχωνεύσεις τους.

Color Animation of a Black Hole with Accretion Disk. General Relativity Calculation by Jean-Alain Marck, 1991. From the documentary "Infinitely Curved". Authors: Laure Delesalle, Marc Lachieze-Rey, Jean Pierre Luminet.

Παρά το γεγονός ότι πλέον είμαστε βέβαιοι ότι υπάρχουν, τα παράξενα αντικείμενα παραμένουν μυστηριώδη για τους επιστήμονες και ακόμη περισσότερο για έναν μέσο άνθρωπο ο οποίος δεν παίζει στα δάχτυλα τις θεωρίες της σχετικότητας. Πώς ακριβώς σχηματίζονται; Πώς συμπεριφέρονται; Πώς είναι ο ορίζοντας γεγονότων και η μοναδικότητά τους, το σημείο όπου η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή ώστε τίποτε, ούτε καν το φως, δεν μπορεί να ξεφύγει;

Princeton Prof. Frans Pretorius, co-author. Princeton Prof. Steven S. Gubser ’94 *98.

Αυτά και άλλα ερωτήματα προσπαθούν να απαντήσουν ο Στίβεν Γκούμπσερ και ο Φρανς Πρετόριους, δύο επιφανείς φυσικοί από το Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, με το «The Little Book of Black Holes» – ένα εκλαϊκευμένο αλλά άκρως επιστημονικό «μικρό βιβλίο των μαύρων τρυπών», στο οποίο έχουν συμπυκνώσει τις γνώσεις που διαθέτουμε σήμερα γύρω από αυτές.

Αποκαλυπτικά κύματα

The General Relativity picture of curved spacetime, where matter and energy determine how orbiting, inspiraling systems evolve over time, has made successful predictions that no other theory can match. Ripples in spacetime can be generated by fast orbiting stars (neutron stars, white dwarfs or black holes). Credit: NASA

Το πιο σημαντικό «νέο» στον τομέα είναι αδιαμφισβήτητα οι ανιχνεύσεις των βαρυτικών κυμάτων που προκλήθηκαν από συγχωνεύσεις μελανών οπών. Μέχρι τώρα έχουν καταγραφεί πέντε καθαρά σήματα από τέτοια γεγονότα, αλλά το πρώτο, που ανακοινώθηκε τον Φεβρουάριο του 2016 από τους υπευθύνους των ανιχνευτών LIGO, είναι το πιο διάσημο αφού αποτέλεσε πραγματική «αποκάλυψη».

As two neutron stars orbit each other, Einstein's theory of general relativity predicts orbital decay, and the emission of gravitational radiation. In the final stages of a merger -- never before observed in gravitational waves -- the amplitude should spike so high that LIGO could, conceivably, detect them. Credit: NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer

«Πριν από αυτές τις ανιχνεύσεις δεν υπήρχε άμεση απόδειξη ότι οι μαύρες τρύπες πραγματικά υπάρχουν» λέει ο Φρανς Πρετόριους, ο οποίος είναι καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου του Πρίνστον. «Υπήρχαν θεωρητικές προβλέψεις καθώς και έμμεσες ενδείξεις για την ύπαρξή τους. Αυτή όμως είναι η πρώτη επιστημονική απόδειξη ότι οι μαύρες τρύπες, έτσι όπως περιγράφονται από τη θεωρία του Αϊνστάιν, πραγματικά υπάρχουν».

With numerous black hole-black hole mergers under its belt and even a neutron star-neutron star collision, gravitational wave astronomy has blossomed into a bona fide science over the past two years. Credit: LIGO-Virgo/Frank Elavsky/Northwestern University

Εκτός από τις αποδείξεις, τα βαρυτικά κύματα και οι πρώτες άμεσες πληροφορίες που μετέφεραν έφεραν επίσης εκπλήξεις. «Κάτι το οποίο εξέπληξε πολλούς, ιδιαίτερα στο πρώτο γεγονός, ήταν το πόσο βαριές ήταν αυτές οι μαύρες τρύπες, είχαν περίπου τριάντα φορές τη μάζα του Ηλίου» εξηγεί ο καθηγητής. «Όλες οι μαύρες τρύπες που είχαν παρατηρηθεί έμμεσα ως τώρα στον γαλαξία μας είχαν πολύ μικρότερη μάζα, πέντε ως δεκαπέντε φορές τη μάζα του Ηλίου. Κάποτε εθεωρείτο αδιανόητο ότι τόσο πολύ βαριές μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να δημιουργηθούν από άστρα που καταρρέουν και καθώς δεν βλέπαμε τέτοιες στον γαλαξία μας, αποτέλεσε έκπληξη το ότι εκεί έξω υπάρχουν αστρικές μαύρες τρύπες με τόσο μεγάλη μάζα».

The most massive black hole binary signal ever seen: OJ 287. This tight binary black hole system takes on the order of ~11-12 years to complete an orbit. The newly discovered system, J0045+41, orbits approximately 50 times as rapidly. Credit: S. Zola & NASA/JPL

Μια άλλη παρατήρηση η οποία προβλημάτισε τους επιστήμονες ήταν η ταχύτητα περιστροφής των μελανών οπών που αποκάλυψαν τα βαρυτικά κύματα. «Κάτι το οποίο φαίνεται ενδιαφέρον είναι ότι ως τώρα καμία από τις μαύρες τρύπες που συγχωνεύτηκαν δεν φαίνεται να είχε πολύ μεγάλη ταχύτητα περιστροφής πριν από τη συγχώνευση» λέει ο κ. Πρετόριους. «Στη σχετικότητα οι μαύρες τρύπες μπορεί να φθάσουν από το να μην περιστρέφονται σχεδόν καθόλου ως το να περιστρέφονται πάρα πολύ γρήγορα. Υπάρχει ένα ανώτατο όριο, αλλά μπορούν να περιστραφούν με πολύ μεγάλη ταχύτητα. Δεν γνωρίζουμε πολύ καλά ποια θα πρέπει να είναι η περιστροφή τους όταν σχηματίζονται, αλλά περιμέναμε ότι όλες οι δυνατές τιμές θα πρέπει να είναι πιθανές. Ωστόσο μέχρι τώρα όλοι οι υποψήφιοι που ανιχνεύθηκαν με τα βαρυτικά κύματα δεν περιστρέφονται με μεγάλη ταχύτητα, και αυτό ίσως σημαίνει ότι κάτι μας διαφεύγει».

Η νέα αστρονομία

The first accurate image of the appearance of a black hole (India ink on Canson negative paper). Credit: JEAN-PIERRE LUMINET

Για να μάθουμε αν πράγματι συμβαίνει κάτι τέτοιο θα πρέπει να περιμένουμε τη «νέα αστρονομία» που θα γεννηθεί με τη συμβολή των βαρυτικών κυμάτων όταν οι ανιχνεύσεις τους – και οι παρατηρήσεις που προκύπτουν από αυτές – θα είναι περισσότερες. «Ίσως να καταφέρουμε να ξεκινήσουμε αυτή τη νέα επιστήμη σε έναν χρόνο» αναφέρει ο καθηγητής. «Για να δώσουμε όμως μια απάντηση στο ζήτημα της περιστροφής θα πρέπει να έχουμε ίσως και εκατό γεγονότα. Τότε θα μπορέσουμε να πούμε αν πραγματικά υπάρχει κάποιο μυστήριο ή όχι». Όσον αφορά τον τύπο των μαύρων τρυπών που ενδέχεται να αποκαλύψουν τα νέα δεδομένα ο κ. Πρετόριους δεν περιμένει τρομακτικές εκπλήξεις. Αυτό γιατί αν και η θεωρία προβλέπει κάποιες διαφοροποιήσεις, στην ουσία τα πράγματα είναι πιο απλά.

Η Κερ, έχει δακτυλιοειδή μοναδικότητα. Η ανατομία μιας μαύρης τρύπας Κερ φαίνεται στην παραπάνω εικόνα. Η εξωτερική έλλειψη ονομάζεται στατικό όριο, και ο κύκλος μέσα στην έλλειψη είναι ο ορίζοντας γεγονότων. Η περιοχή ανάμεσα στο στατικό όριο και τον ορίζοντα γεγονότων ονομάζεται εργόσφαιρα. Στην περιοχή της εργόσφαιρας υπάρχει δυνατότητα διαφυγής, όμως αν ένα σώμα βρεθεί εκεί θα αρχίσει να περιστρέφεται γύρω από τον ορίζοντα γεγονότων, όπως αν θα βρισκόταν κοντά σε μια θαλάσσια δίνη. Η μοναδικότητα έχει τη μορφή δακτυλίου (ντόνατς) και το κέντρο του δακτυλίου θεωρείται κενό. Χρησιμοποιώντας μια Κερ, θα μπορούσες να ταξιδέψεις μέσα από το κέντρο του δακτυλίου χωρίς να συναντήσεις τον άπειρα καμπυλωμένο χωρόχρονο της μοναδικότητας.

«Ουσιαστικά υπάρχει ένας μόνο τύπος μαύρης τρύπας, η μαύρη τρύπα του Κερ» μας λέει. «Αυτή εξαρτάται από δύο ιδιότητες: μπορεί να έχει οποιοδήποτε μέγεθος και με βάση το μέγεθός της μπορεί να περιστρέφεται με μηδενική ως πολύ μεγάλη ταχύτητα». Το μέγεθος, όπως εξηγεί, καθορίζεται από τη μάζα. «Για παράδειγμα, μια μαύρη τρύπα με τη μάζα του Ηλίου θα έχει διάμετρο τρία χιλιόμετρα ενώ μια θεωρητική μαύρη τρύπα με τη μάζα της Γης θα έχει ακτίνα σχεδόν ένα εκατοστό» αναφέρει. «Κατά τον ίδιο τρόπο που οι πλανήτες εξαιτίας της περιστροφής τους γύρω από τον Ήλιο συμπιέζονται ελαφρά στους πόλους, η ταχύτητα περιστροφής μιας μαύρης τρύπας καθορίζει τον ορίζοντα γεγονότων της και τη δομή του χωροχρόνου γύρω από αυτόν. Όσο πιο γρήγορη είναι η περιστροφή τόσο πιο συμπιεσμένος είναι ο ορίζοντας».

Συχνές παρανοήσεις

What Happens if You Fall Into a Black Hole? David Kaplan explores one of the biggest mysteries in physics: the apparent contradiction between general relativity and quantum mechanics. Credit: Quanta Magazine

Όταν τον ρωτάμε τι από όλα όσα γνωρίζουμε για τις μαύρες τρύπες νομίζει ότι είναι πιο δύσκολο να «χωνέψει» το ευρύ κοινό, ο Φρανς Πρετόριους χαμογελάει. «Νομίζω πολλά. Είναι πολύ παράξενα αντικείμενα. Πιστεύω ότι το ευρύ κοινό πιάνει τη βασική ιδέα, ότι είναι ένα αντικείμενο από το οποίο η διαφυγή είναι αδύνατη. Όταν όμως αρχίζουμε να πηγαίνουμε πιο βαθιά, μάλλον υπάρχει αρκετή σύγχυση» απαντά επισημαίνοντας ότι μια συνηθισμένη παρανόηση αφορά το πόσο «αδηφάγες» είναι οι μαύρες τρύπες. «Το ότι τίποτε δεν μπορεί να ξεφύγει από αυτές δεν σημαίνει ότι οι μαύρες τρύπες ρουφάνε τα πάντα» υπογραμμίζει. «Αυτό δεν ισχύει. Πρέπει να περάσει κάποιος τον ορίζοντα γεγονότων για να μην υπάρχει διαφυγή».

Ως παράδειγμα φέρνει τη μαύρη τρύπα που βρίσκεται στο κέντρο του γαλαξία μας. «Δεν υπάρχει κίνδυνος να μας ρουφήξει ποτέ. Ενδεχομένως κάποια υλικά που θα τύχει να κινηθούν προς το μέρος της και θα περάσουν τον ορίζοντα γεγονότων της θα πέσουν μέσα σε αυτήν, όμως εμείς δεν διατρέχουμε τέτοιον κίνδυνο» εξηγεί. «Είναι όπως με τον Ήλιο, δεν πρόκειται ποτέ να πέσουμε πάνω στον Ήλιο, περιφερόμαστε γύρω από αυτόν. Οπότε δεν υπάρχει κίνδυνος ανησυχίας. Οι μαύρες τρύπες είναι κακές μόνο αν περάσουμε τον ορίζοντα γεγονότων τους, όπως ο Ήλιος είναι κακός μόνο αν πάμε να πέσουμε καταπάνω του».

Μια άλλη διαδεδομένη παρεξήγηση αφορά το περίφημο «σημείο χωρίς επιστροφή», τον ορίζοντα γεγονότων. «Ο ορίζοντας γεγονότων δεν είναι μια επιφάνεια, δεν θα το καταλάβετε καν αν τον περάσετε» λέει ο φυσικός. «Ως τόπος, ο ορίζοντας γεγονότων είναι απολύτως απαρατήρητος στον χωροχρόνο. Είναι πολύ παράξενο, όταν το σκεφτείς από απόσταση και στη θεωρία μπορείς να πεις ότι υπάρχει αυτή η περιοχή που είναι απολύτως καταστροφικό να περάσεις γιατί δεν μπορείς ποτέ να γυρίσεις πίσω από αυτήν, όμως όταν είσαι εκεί και την περνάς δεν το καταλαβαίνεις».

Ο δυναμισμός του χωροχρόνου

Και οι… παραξενιές δεν σταματούν εδώ. «Ένα άλλο παράξενο είναι ότι έξω από τις μαύρες τρύπες σκεφτόμαστε τον χώρο σαν κάτι καταρχήν στατικό και καθορισμένο, αλλά μέσα σε αυτές ο χώρος γίνεται εγγενώς δυναμικός και περιστρέφεται προς τη μοναδικότητα» εξηγεί. «Ακόμη και αυτές οι λέξεις, όταν λες «ο χωροχρόνος γίνεται ευγενώς δυναμικός», σκέφτεσαι «μα τι λέω;». Ακόμη και άνθρωποι που έχουν μελετήσει για αρκετό καιρό τη σχετικότητα είναι δύσκολο να συμφιλιωθούν με κάτι τέτοιο». Αυτό φαίνεται να ισχύει όχι μόνο για όσους μελετούν τη θεωρία αλλά και για τον ίδιο τον πατέρα της. «Νομίζω ότι αυτός είναι ένας από τους λόγους που ο Αϊνστάιν δεν πίστεψε ποτέ τη λύση του Σβάρτσιλντ (σ.σ.: η πρώτη για τις μαύρες τρύπες) και το πέρασμα του ορίζοντα» επισημαίνει ο κ. Πρετόριους. «Χρειάστηκε να φθάσουμε στις δεκαετίες του 1960 και του 1970 για να αρχίσουν οι θεωρητικοί να μελετούν αυτή τη λύση και να λένε, όσο παράξενη και αν είναι, μπορούμε πράγματι να βγάλουμε κάποιο νόημα από αυτήν. Εκτός από τη βαρυτική μοναδικότητα. Για αυτήν εξακολουθούμε να μην έχουμε αίσθηση».

Με τη «νέα αστρονομία» οι συγγραφείς του βιβλίου ευελπιστούν ότι θα αποκτήσουμε μια καλύτερη αίσθηση για το μυστήριο των μελανών οπών. «Θα μπορέσουμε ενδεχομένως να μελετήσουμε τη φύση του χωροχρόνου σε αυτό το περίεργο καθεστώς, όπου η βαρύτητα γίνεται τόσο ισχυρή – ο καλύτερος τρόπος να το πούμε είναι ότι εκεί ο χώρος και ο χρόνος καμπυλώνονται τόσο ώστε μπορούν να τυλιχτούν γύρω από τον εαυτό τους και τότε ο χώρος μπορεί να γίνει χρόνος και ο χρόνος να γίνει χώρος» εξηγεί ο καθηγητής. «Η βαρύτητα μπορεί να είναι μια πολύ διαισθητική έννοια – αυτή η έλξη, το ότι η Γη μας έλκει. Στο καθεστώς των μελανών οπών όμως η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή ώστε δεν μπορούμε να έχουμε καμία διαισθητική αντίληψη για αυτήν. Δεν υπάρχουν στη Γη εργαστήρια που να μπορούν να τη μετρήσουν, δεν υπάρχει τίποτε κοντά μας, στο ηλιακό μας σύστημα, από το οποίο να μπορούμε να αποκτήσουμε μια ιδέα για αυτήν. Ουσιαστικά πρόκειται για μια καθαρά θεωρητική κατασκευή».

While numerous black holes and even black hole pairs have been detected, we’d have to wait millions of years for any of them to merge. Credit: NASA/Goddard Space Flight Center/S. Immler and H. Krimm

Οι πληροφορίες από τα βαρυτικά κύματα ενδέχεται όμως να μας περάσουν από τη θεωρία στην πράξη. «Τώρα μπορούμε να δούμε πραγματικά πως η τρελή πρόβλεψη της θεωρίας του Αϊνστάιν μπορεί να ισχύει. Και υπό αυτή την έννοια οι μαύρες τρύπες μπορούν να αποτελέσουν εργαστήρια για τη μελέτη αυτής της πολύ ισχυρής βαρύτητας όπου η γεωμετρία αναποδογυρίζει, τα πάνω έρχονται κάτω και τα μέσα έξω» καταλήγει ο κ. Πρετόριους. «Κάποια στιγμή, όσο περισσότερες μαύρες τρύπες βλέπουμε, θα σταθούμε τυχεροί, θα δούμε κάποια που να βρίσκεται πολύ κοντά μας και έτσι θα μπορέσουμε να διερευνήσουμε καλύτερα το καθεστώς του χωροχρόνου που προβλέπει η θεωρία. Αυτό είναι το μοναδικό μέρος στο παρατηρήσιμο Σύμπαν όπου τα πράγματα είναι τόσο ακραία ώστε η διαίσθησή μας είναι παντελώς ανεπαρκής».

«The Little Book of Black Holes»: το «μικρό βιβλίο των μαύρων τρυπών» των Στίβεν Γκούμπσερ και Φρανς Πρετόριους, καθηγητών Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, κυκλοφορεί από τον εκδοτικό οίκο Princeton University Press.

Πηγές: tovima.gr - http://blogs.nature.com/aviewfromthebridge/2017/03/28/imaging-black-holes/ - https://paw.princeton.edu/article/physics-behind-black-holes-explained-general-terms