Πιθανή ανίχνευση μιας μαύρης τρύπας τόσο μεγάλης που δεν πρέπει να υπάρχει. Possible Detection of a Black Hole So Big It ‘Should Not Exist’

Μια μαύρη τρύπα, τόσο μεγάλη, που δεν θα έπρεπε καν να υπάρχει, ανακάλυψαν οι ερευνητές στο Ευρωπαϊκό Παρατηρητήριο Βαρύτητας! Είναι διπλάσια από το «φυσιολογικό» μέγεθος, με τους επιστήμονες να προσπαθούν να λύσουν το μυστήριο. A 100-solar-mass black hole would be roughly twice as massive as the theoretical limit. At stake are fundamental ideas about how black holes form — and a six-way bet. Olena Shmahalo/Quanta Magazine

Οι φυσικοί της μαύρης τρύπας συζητούν με ενθουσιασμό τις αναφορές ότι οι ανιχνευτές βαρύτητας LIGO και Virgo έλαβαν πρόσφατα το σήμα μιας απροσδόκητα τεράστιας μαύρης τρύπας, με μάζα που θεωρήθηκε φυσικά αδύνατη. Είναι διπλάσια από το «φυσιολογικό» μέγεθος, με τους επιστήμονες να προσπαθούν να λύσουν το μυστήριο. Συνήθως, η μάζα μιας μαύρης τρύπας είναι, περίπου, 100 φορές μεγαλύτερη από εκείνη του Ήλιου μας. Άρα, στη συγκεκριμένη περίπτωση έχουμε μια μαύρη τρύπα 200 φορές πιο μεγάλη.

Στην παραπάνω περίπτωση, αυτό που κάνει τους επιστήμονες να απορούν είναι το γεγονός ότι μια μαύρη τρύπα σχηματίζεται, συνήθως, όταν ένα αστέρι καταρρεύσει, αφού εξαντληθεί το «καύσιμό» του, αλλά αυτό συμβαίνει μόνο όταν ο πυρήνας του αστεριού είναι 50 φορές μικρότερος από τη μάζα του Ήλιου. Τα αστέρια με μεγαλύτερες μάζες, μεταξύ 50-130 φορές τη μάζα του Ήλιου, είτε «απομακρύνουν» την παραπάνω ύλη μέχρι να γίνουν αρκετά μικρά, είτε αυτοκαταστρέφονται σε μια ισχυρή έκρηξη.

Κάτι που σημαίνει ότι αυτή η νέα -πιθανή- μαύρη τρύπα αψηφά αυτό που οι επιστήμονες θεωρούν πως είναι δυνατό να συμβεί.

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine; Source: LIGO-P1800307-v7 Table III

Επτά φυσικοί δήλωσαν ότι μεταξύ των 22 σημάτων βαρυτικών κυμάτων που εντοπίστηκαν από το LIGO και Virgo από τον Απρίλιο, ένα από τα σήματα προήλθε από μια σύγκρουση που περιελάμβανε μια μαύρη τρύπα απροσδόκητης μάζας – υποτίθεται ότι ήταν τόσο βαρύ όσο 100 ήλιοι. Τα μέλη της ομάδας LIGO / Virgo  δεν επιβεβαιώνουν ούτε αρνούνται την φημολογούμενη ανίχνευση.

Στις 28 Αυγούστου, το παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων LIGO σημείωσε δύο ξεχωριστά βαρυτικά κύματα, τα οποία έφτασαν με μόλις 21 λεπτά διαφορά. Τα κύματα της βαρύτητας, σε αυτή την περίπτωση, προκλήθηκαν από δύο μαύρες τρύπες που συγχωνεύθηκαν, οι οποίες δημιούργησαν κυματισμούς μέσω του ιστού του χωροχρόνου. Οι επιστήμονες του LIGO συγκλονίστηκαν που είδαν τις δύο ξεχωριστές συγχωνεύσεις να συμβαίνουν με τόσο γρήγορη διαδοχή, καθώς δύο κύματα βαρύτητας δεν είχαν καταγραφεί ποτέ την ίδια ημέρα – πόσο μάλλον μέσα σε μισή ώρα η μία από την άλλη.

Οι  μαύρες τρύπες – πυκνές, παράδοξες σφαίρες των οποίων η βαρύτητα παγιδεύει τα πάντα, ακόμα και το φως – προέρχονται από τους συμπιεσμένους πυρήνες των άστρων που τελειώνουν τη ζωή τους. Αλλά το 1967, τρεις φυσικοί στο Εβραϊκό Πανεπιστήμιο της Ιερουσαλήμ συνειδητοποίησαν ότι όταν ο πυρήνας ενός νεκρού άστρου είναι πολύ βαρύς, δεν θα καταρρεύσει κάτω από τη βαρύτητα σε μια μαύρη τρύπα. Αντίθετα, το αστέρι θα υποβληθεί σε ένα «ζεύγος-ασταθούς σουπερνόβα», μια έκρηξη που εξαφανίζεται εντελώς σε λίγα δευτερόλεπτα, μην αφήνοντας τίποτα πίσω. «Το αστέρι είναι εντελώς διασκορπισμένο στο διάστημα», έγραφαν οι τρεις φυσικοί.

Ένα ζεύγος ασταθούς σουπερνόβα συμβαίνει όταν ο πυρήνας γίνει τόσο καυτό ώστε το φως αρχίζει να μετατρέπεται αυθόρμητα σε ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Η πίεση της ακτινοβολίας του φωτός είχε κρατήσει τον πυρήνα του άστρου άθικτο. όταν όμως το φως μετασχηματίζεται σε ύλη, η προκύπτουσα πτώση της πίεσης αναγκάζει τον πυρήνα να συρρικνωθεί γρήγορα και να γίνει ακόμη θερμότερος, με περαιτέρω επιτάχυνση της παραγωγής των ζευγών και να προκαλέσει ένα φαινόμενο που δεν σταματά ποτέ. Τελικά ο πυρήνας γίνεται τόσο καυτό ώστε το οξυγόνο αναφλέγεται. Αυτό αντιστρέφει πλήρως την συμπίεση του πυρήνα, έτσι ώστε αντιθέτως να εκραγεί. Για πυρήνες με μάζα μεταξύ περίπου 65 και 130 φορές μεγαλύτερη από εκείνη του ήλιου μας (σύμφωνα με τις τρέχουσες εκτιμήσεις), το αστέρι καταστρέφεται εντελώς. Οι πυρήνες μεταξύ, περίπου, 50 και 65 ηλιακών μαζών πάλλονται,  ρίχνοντας στο διάστημα μάζα με μια σειρά εκρήξεων μέχρι να πέσουν κάτω από το εύρος όπου εμφανίζεται η αστάθεια των ζευγών ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Έτσι, δεν θα πρέπει να υπάρχουν μαύρες τρύπες με μάζες στην περιοχή των 50 έως 130 ηλιακών μαζών.

Οι μαύρες τρύπες μπορούν να υπάρχουν στην άλλη πλευρά του χάσματος των μαζών, που ζυγίζουν πάνω από 130 ηλιακές μάζες, επειδή δεν μπορεί να σταματήσει η κατάρρευση της έκρηξης τέτοιων βαρέων αστρικών πυρήνων, ακόμη και με σύντηξη του οξυγόνου. Αντίθετα, συνεχίζουν να καταρρέουν και να σχηματίζουν μαύρες τρύπες. Αλλά επειδή τα αστέρια διασκόρπισαν μάζα στον χώρο καθ ‘όλη τη διάρκεια της ζωής τους, θα έπρεπε να γεννηθεί ένα αστέρι που να ζυγίζει τουλάχιστον 300 ήλιους για να καταλήξει αργότερα ως πυρήνας με 130 ηλιακές μάζας και τέτοια μεγάλα άστρα είναι σπάνια. Για το λόγο αυτό, οι περισσότεροι αστροφυσικοί υπέθεσαν ότι οι μαύρες τρύπες που ανιχνεύθηκαν από το LIGO και το VIRGO πρέπει να ξεπερνούν περίπου τις 50 ηλιακές μάζες, το κατώτερο άκρο του χάσματος της μάζας.  (Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες με εκατομμύρια και δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες που βρίσκονται στα κέντρα των γαλαξιών σχηματίστηκαν διαφορετικά και μάλλον μυστηριωδώς στο πρώιμο σύμπαν.) Το LIGO και VIRGO  δεν είναι μηχανικά ικανές να ανιχνεύσουν τις συγκρούσεις υπερβαρέων μαύρων οπών.

Γι αυτό, μερικοί εμπειρογνώμονες προέβλεψαν με τόλμη ότι θα παρατηρηθούν μαύρες τρύπες στο χάσμα αυτό των μαζών.

Σε μια συνάντηση που πραγματοποιήθηκε τον Φεβρουάριο στο Κέντρο Φυσικής του Aspen, αστροφυσικοί του Πανεπιστημίου του Σικάγου δήλωσαν ότι «οι μαύρες τρύπες δεν πρέπει να υπάρχουν στο εύρος μεταξύ 55 και 130 ηλιακών μαζών εξαιτίας της αστάθειας των ζευγών» και έτσι κανένας δεν θα μπορούσε να τις ανιχνεύσει μεταξύ των πρώτων 100 σημάτων των LIGO / Virgo.

Άλλοι όμως αστροφυσικοί στοιχημάτισαν ότι θα μπορούσαν να εντοπίσουν μια μαύρη τρύπα στο χάσμα αυτό, επειδή υπάρχει ένας τρόπος για να σχηματιστούν αυτές οι μαύρες τρύπες μεγάλου μεγέθους.

Οι όροι ενός στοιχήματος για το αν θα εντοπιστούν τυχόν μαύρες τρύπες στην περιοχή μεταξύ 55 και 130 ηλιακών μαζών, τροποποιήθηκε αργότερα για να διευκρινίσει ότι κάθε ηττημένος θα όφειλε σε κάθε νικητή ένα μπουκάλι αξίας $ 100.

Ενώ οι περισσότερες από τις μαύρες τρύπες που συγκρούονται για να τις βρούμε με το LIGO προέρχονται πιθανώς από ζεύγη απομονωμένων αστεριών (δυαδικά αστέρια συστήματα που είναι κοινά στον κόσμο), οι τελευταίοι αστροφυσικοί υποστηρίζουν ότι ένα κλάσμα των ανιχνευόμενων συγκρούσεων συμβαίνει σε πυκνά αστρικά περιβάλλοντα όπως σφαιρικά σμήνη. Οι μαύρες τρύπες αιωρούνται γύρω από τη βαρύτητα του άλλου και μερικές φορές συλλαμβάνονται και συγχωνεύονται, όπως τα μεγάλα ψάρια που καταπίνουν μικρότερα σε μια λίμνη.

The terms of a bet over whether any black holes would be detected in the range between 55 and 130 solar masses. (The bet, which was orchestrated by Ilya Mandel of Monash University, was later amended to add two additional signatories and specify that each loser would owe each winner a $100 bottle.) Courtesy of Carl Rodriguez

Μέσα σε ένα σφαιρικό σμήνος, μια μαύρη τρύπα 50 ηλιακών μαζών θα μπορούσε να συγχωνευθεί με μια 30 ηλιακών μαζών, για παράδειγμα, και τότε ο γίγαντας που θα προκύψει θα μπορούσε να συγχωνευθεί ξανά. Αυτή η συγχώνευση δεύτερης γενιάς είναι αυτό που θα μπορούσε να εντοπίσει το LIGO / VIRGO – μια τυχερή αλίευση των μεγάλων ψαριών στη λίμνη. Αυτό μπορεί πραγματικά να συμβεί μόνο σε σμήνη. Εάν η φήμη αυτή είναι αλήθεια, οι τελευταίοι αστροφυσικοί που στοιχημάτισαν θα λάβουν ο καθένας ένα μπουκάλι κρασιού $ 100 από τους άλλους αστροφυσικούς.

Αλλά υπάρχουν και άλλες πιθανές ιστορίες προέλευσης για τη θεωρούμενη μεγάλη μαύρη τρύπα. Ίσως ξεκίνησε σε ένα απομονωμένο σύστημα δυαδικών αστεριών. Αφού το πρώτο αστέρι κατέρρευσε σε μια μαύρη τρύπα, μπορεί να έχει αναπτυχθεί με την απογύμνωση της ύλης από το συντροφικό του αστέρι. Αργότερα, το δεύτερο αστέρι θα είχε καταρρεύσει επίσης, τότε τελικά οι δύο θα είχαν συγκρουσθεί και συγχωνευθεί, στέλνοντας βαρυτικά κύματα που διαδοχικά θα διασχίζουν τον ιστό του χωροχρόνου.

Πηγές: https://www.quantamagazine.org/possible-detection-of-a-black-hole-so-big-it-should-not-exist-20190828/ - https://physics4u.wordpress.com/2019/09/03/πιθανή-ανίχνευση-μιας-μαύρης-τρύπας-τ/