Σπουδαία Ανακοίνωση για τις Μαύρες Τρύπες

Αυτή τη στιγμή (2 Σεπτεμβρίου 3:00 μ.μ.) στη Ρώμη έχει ξεκινήσει μια ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα τηλεδιάσκεψη τύπου που αφορά ένα σήμα (GW190521) Βαρυτικών Κυμάτων (Β.Κ.) που εντόπισαν οι ανιχνευτές Advanced LIGO και Advanced Virgο. Συντονιστής της τηλεδιάσκεψης είναι ο Σταύρος Κατσανέβας, Διευθυντής του EGO (European Gravitational Observatory) στην Πίζα της Ιταλίας, ενώ συμμετέχουν επίσης και οι:

– Giovanni Losurdo, εκπρόσωπος του εργαστηρίου VIRGO και διευθυντής ερευνών του Ιταλικού Εθνικού Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής (INFN).
– Nelson Christensen, διευθυντής ερευνών του Γαλλικού Εθνικού Κέντρου Επιστημονικών Ερευνών CNRS at ARTEMIS in Nice, France και του Κέντρου VIRGO.
– Michela Mapelli, καθ. στο Πανεπιστήμιο της Padova, INFN και VIRGO.
– Karan Jani, Vanderbilt University και LIGO.

Στη συζήτηση που είχα πριν από την τηλεδιάσκεψη με τους καθ. Κατσανέβα και Στεργιούλα μου περιέγραψαν την διαδικασία συγχώνευσης ενός ασυνήθιστου ζεύγους Μαύρων Τρυπών (Μ.Τ.) που παρατηρήθηκε στις 21 Μαΐου 2019 και η οποία δημιούργησε τελικά μια Μ.Τ. με μάζα 142 φορές την μάζα του Ήλιου ενώ 8 ηλιακές μάζες μετατράπηκαν σε τεράστιες ποσότητες Β.Κ. Μου επισήμαναν επίσης ότι «το γεγονός αυτό θεωρείται τρίτο σε σημασία, μετά την ανακάλυψη της πρώτης συγχώνευσης δύο Μ.Τ. τον Σεπτέμβριο του 2015 και της συγχώνευσης δύο Άστρων Νετρονίων τον Αύγουστο του 2017.» Το ενδιαφέρον της σημερινής ανακοίνωσης είναι ότι οι δύο αυτές Μ.Τ. είχαν μάζα 65 και 85 φορές την μάζα του Ήλιου «η δεύτερη μάλιστα είναι η μεγαλύτερη “αστρικού τύπου” Μ.Τ. που έχει εντοπιστεί μέχρι τώρα και η οποία εμπίπτει στο λεγόμενο “κενό μάζας”, μια κατηγορία με την ονομασία “Μαύρες Τρύπες Ενδιάμεσης Μάζας” (Intermediate Mass Black Holes, IMBH), που μπορεί να οδηγήσει στην επεξήγηση της διαδικασίας σχηματισμού υπερμεγεθών Μ.Τ. στο κέντρο των γαλαξιών. Οι τρέχουσες όμως θεωρίες μας λένε ότι δεν είναι δυνατόν να δημιουργηθεί μια τέτοια Μ.Τ. με τον συνηθισμένο τρόπο, από την κατάρρευση δηλαδή ενός γιγάντιου άστρου.»

Η επιβεβαίωση της ύπαρξης των παράξενων αυτών αντικειμένων έγινε πρόσφατα πριν από μερικά μόλις χρόνια με τον εντοπισμό ενός από τα πλέον βασικά ερωτήματα της Γενικής Σχετικότητας για την ύπαρξη Βαρυτικών Κυμάτων από την σύγκρουση αντικειμένων μεγάλης μάζας. Η ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων έμενε αναπάντητη επί 100 χρόνια γιατί η βαρύτητα είναι η πιο αδύναμη από τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις, με ισχύ 100 τρισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων τρισεκατομμύρια φορές μικρότερη της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης. Οπότε και η ενέργεια των βαρυτικών κυμάτων είναι εξ ίσου αδύναμη. Κι όμως στις 11 Φεβρουαρίου 2016 ανακοινώθηκε επίσημα η παρατήρηση των πρώτων Βαρυτικών Κυμάτων που έγινε στις 14 Σεπτεμβρίου 2015 (στις 12:51 μ.μ. ώρα Ελλάδος) από την σύγκρουση δύο Μαύρων Τρυπών, η μία με μάζα 36 ηλιακών μαζών και η άλλη με 29 ηλιακές μάζες σε απόσταση 1,3 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη. Λίγο πριν από την σύγκρουση οι δύο μαύρες τρύπες περιφέρονταν η μία γύρω από την άλλη 250 φορές το δευτερόλεπτο ενώ η ταχύτητα περιφοράς τους έφτανε τα 150.000 χλμ. το δευτερόλεπτο.

Η σύγκρουση εκείνη δημιούργησε μία μεγαλύτερη Μαύρη Τρύπα με μάζα 62 ηλιακές μάζες ενώ οι τρεις “χαμένες” ηλιακές μάζες μετετράπησαν σε ενέργεια βαρυτικών κυμάτων η οποία ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία θα ήταν αντίστοιχη με την ενέργεια που εκπέμπουν 50 φορές όλα τα άστρα του Σύμπαντος! Παρ’ όλα αυτά η παραμόρφωση που κατέγραψαν τα δύο συμβολόμετρα LIGO στη Λουϊζιάνα και την Ουάσιγκτον (που είχαν δημιουργηθεί γι’ αυτού του είδους τις παρατηρήσεις) δεν υπερέβαινε τα τέσσερα χιλιοστά της διαμέτρου ενός πρωτονίου. Η πιθανότητα κάποιου λάθους στη παρατήρηση εκείνη ήταν μία στο εκατομμύριο, που στην ουσία αποτελεί μία βεβαιότητα για την οποία οι ερευνητές που πρωτοστάτησαν στη δημιουργία και την ανάπτυξη των παρατηρητηρίων τα οποία απέδειξαν την πραγματικότητα της ύπαρξης των βαρυτικών κυμάτων έλαβαν το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 2017.

Το δεύτερο μεγάλης σημασίας σχετικό γεγονός ήταν φυσικά η σύγκρουση δύο άστρων νετρονίων (ή πάλσαρ) που παρατηρήθηκε στις 17 Αυγούστου 2017 στον γαλαξία NGC 4993 και σε απόσταση 130 εκατομμυρίων ετών φωτός προς την κατεύθυνση του αστερισμού της Ύδρας. Την στιγμή εκείνη δύο πάλσαρ με μάζα 1,1 και 1,6 ηλιακές μάζες συγκρούστηκαν και ενσωματώθηκαν μεταξύ τους. Στη διάρκεια του φαινομένου και επί 100 περίπου δευτερόλεπτα εκπέμπονταν βαρυτικά κύματα λόγω της γρήγορης περιφοράς των δύο πάλσαρ, ενώ τα βαρυτικά κύματα που είχαν παρατηρηθεί στις πέντε προηγούμενες περιπτώσεις (από την σύγκρουση μαύρων τρυπών) είχαν διάρκεια μικρότερη του ενός δευτερολέπτου. Η σπουδαιότητα της ανακάλυψης αυτής είναι εμφανής και από το γεγονός ότι στην σχετική ανακοίνωση που έκανε το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ στις 16 Οκτωβρίου 2017, συμμετείχαν και εκπρόσωποι των επιστημονικών εργαστηρίων του LIGO, του VIRGO, της NASA, της ESA και 70 μεγάλων αστεροσκοπείων απ’ όλο τον κόσμο. Συνολικά 3.674 επιστήμονες από 953 ερευνητικά κέντρα συνεργάσθηκαν στην επιστημονική δημοσίευση του συγκεκριμένου φαινομένου το οποίο ανακηρύχτηκε στα τέλη του χρόνου ως η σπουδαιότερη επιστημονική ανακάλυψη του 2017 από το επιστημονικό περιοδικό “Science”.

Η σύγκρουση των δύο πάλσαρ είχε σαν αποτέλεσμα μια αστρική έκρηξη «κιλονόβα», όπως ονομάζεται γιατί είναι 1.000 φορές πιο ισχυρή από την έκρηξη μιας νόβα. Συγχρόνως επεξηγήθηκε πλέον περίτρανα και η προέλευση των κατά καιρούς παρατηρούμενων έντονων εκλάμψεων ακτίνων γάμμα που έχουν καταγράψει τα σχετικά τροχιακά αστεροσκοπεία Fermi της ΝΑSΑ και INTEGRAL της ΕSΑ. Ακόμη πιο σημαντικό όμως ήταν το γεγονός ότι στην περίπτωση αυτή οι παρατηρήσεις και η μελέτη του όλου φαινομένου συνεχίστηκε επί εβδομάδες με την εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που κατέγραψαν δεκάδες τηλεσκόπια στην επιφάνεια της Γης και στο Διάστημα. Κι έτσι οι συνδυασμένες αυτές παρατηρήσεις μάς έχουν προσφέρει εξαιρετικές νέες πληροφορίες για διάφορες ειδικότητες (την πυρηνική φυσική, την αστροφυσική, την κοσμολογία και την βαρύτητα) καθώς και για την επίλυση διαφόρων αινιγμάτων του Σύμπαντος όπως είναι ο ρυθμός διαστολής του Σύμπαντος, οι ιδιότητες των πάλσαρ, τα χαρακτηριστικά των βαρυτικών κυμάτων καθώς και η δημιουργία βαρέων χημικών στοιχείων όπως είναι ο χρυσός και η πλατίνα.

Η σημερινή ανακοίνωση αποτελεί το τρίτο σχετικό γεγονός μεγάλης σημασίας, γιατί μας επισημαίνει ότι οι γνώσεις που έχουμε για την δημιουργία των Μαύρων Τρυπών φαίνεται ότι δεν είναι πλήρεις. Σύμφωνα με τις μέχρι τώρα γνώσεις μας είχαμε ταξινομήσει τις Μ.Τ. σε τρία είδη. Οι «κανονικές» λεγόμενες μαύρες τρύπες, προέρχονται από τις αστρικές εκρήξεις σουπερνόβα και έχουν μάζα μερικές δεκάδες φορές την μάζα του Ήλιου αλλά όχι μεγαλύτερες από 60 περίπου φορές την μάζα του Ήλιου. Αντίθετα οι «Μικρομεσαίες Μ.Τ.» περιλαμβάνουν μάζες από 100 μέχρι και 100.000 φορές την μάζα του Ήλιου. Τον Μάιο του 2007, για παράδειγμα, ανακοινώθηκε η ανακάλυψη μιας Μ.Τ. με μάζα 20.000 φορές την μάζα του Ήλιου. Η νέα εκείνη «μεσαίου μεγέθους» Μαύρη Τρύπα εντοπίστηκε στο εσωτερικό του σφαιρωτού σμήνους G1 στον γαλαξία της Ανδρομέδα (Μ31), σε απόσταση 2,3 εκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη.

Στο άλλο πάλι άκρο των μεγεθών, τα τελευταία χρόνια έχουμε εντοπίσει στο κέντρο των γαλαξιών «σούπερ» μαύρες τρύπες που περιέχουν τη μάζα εκατομμυρίων ή και δισεκατομμυρίων ήλιων σ’ ένα χώρο που δεν υπερβαίνει τη διάμετρο του ηλιακού μας συστήματος. Μια τέτοια τερατώδης Μ.Τ. έχει την φωλιά της στο κέντρο του Γαλαξία μας στην πιο πλούσια σε αστρικές ομάδες και νεφελώματα περιοχή της Γαλαξιακής λωρίδας που βρίσκεται στον αστερισμό του Τοξότη. Σ’ αυτόν ακριβώς τον αστερισμό, και σε απόσταση 27.000 ετών φωτός από ‘μάς, το κέντρο του Γαλαξία μας βρίσκεται δίπλα σχεδόν σε μια Μ.Τ. Οι παρατηρήσεις που έχουμε μας διαγράφουν θαμπά ότι η γιγάντια αυτή Μ.Τ. περιβάλλεται από έναν φωτεινό δίσκο αστροϋλικών και καταβροχθίζει κυριολεκτικά ένα προς ένα τα άστρα του γαλαξιακού μας πυρήνα καθώς αυτά εξελίσσονται και πέφτουν προς το κέντρο. Και βέβαια εκτός από άστρα το αδηφάγο αυτό τέρας εξαφανίζει και οτιδήποτε άλλο τολμήσει να το πλησιάσει με αποτέλεσμα την συνεχή του επέκταση. Υπολογίζεται δηλαδή ότι υλικά μιας ηλιακής μάζας παρασύρονται κάθε 1.000 χρόνια από τις βαρυτικές δυνάμεις που επικρατούν στο γαλαξιακό κέντρο, που σημαίνει ότι η δραστηριότητα αυτή συνεχίζεται εδώ και αρκετά δισεκατομμύρια χρόνια, με αποτέλεσμα την ύπαρξη μιας τεράστιας μαύρης τρύπας με διάμετρο δεκάδων εκατομμυρίων χιλιομέτρων και μάζα τεσσάρων εκατομμυρίων ήλιων.

Παρόμοιες με την δική μας γιγάντιες Μ.Τ. υπάρχουν και στα κέντρα των περισσοτέρων γαλαξιών ενώ μόλις πριν από ένα περίπου χρόνο φωτογραφήθηκε και η σκιά μιας Μ.Τ. στην καρδιά του γιγάντιου ελλειπτικού γαλαξία Μ-87. Η γιγάντια αυτή μαύρη τρύπα του M-87 έχει 6,5 δισεκατομμύρια φορές την μάζα του Ήλιου μας και διάμετρο που φτάνει τα 100 δισεκατομμύρια χιλιόμετρα, 22 δηλαδή φορές την απόσταση του πλανήτη Ποσειδώνα από τον Ήλιο. Η καταπληκτική φωτογράφηση έγινε πραγματικότητα από την συνδυασμένη λειτουργία ραδιοτηλεσκοπίων σε οκτώ διαφορετικές περιοχές της Γης, την Ανταρκτική, τη Χιλή, το Μεξικό, τη Χαβάη, την Αριζόνα και την Ισπανία τα οποία είχαν συνδεθεί συμβολομετρικά μεταξύ τους δημιουργώντας έτσι ένα τηλεσκόπιο με το μέγεθος του πλανήτη μας. Στην επίπονη αυτή διαδικασία φωτογράφησης έλαβαν μέρος 347 ερευνητές από 60 πανεπιστήμια και ερευνητικά εργαστήρια σε 20 διαφορετικές χώρες μεταξύ των οποίων κομβικό ρόλο έπαιξε κι ένας Έλληνας αστροφυσικός, ο καθηγητής του Πανεπιστημίου της Αριζόνα Δημήτρης Ψάλτης.

Μέχρι τώρα λοιπόν οι θεωρητικές εκτιμήσεις μας έλεγαν ότι δεν θα μπορούσαν να δημιουργηθούν αστρικές Μ.Τ. με μάζα μεταξύ 65 και 120 φορές την μάζα του Ήλιου, όπως στην περίπτωση της μιας από τις Μ.Τ. του GW190521 που αποτελούνταν από 85 ηλιακές μάζες. Μια τέτοια Μ.Τ. όντως «χαλάει την πιάτσα», αφού τα θεωρητικά μας μοντέλα δεν προβλέπουν κάτι τέτοιο! Ίσως πάλι η δημιουργία μιας τέτοιας Μ.Τ. μπορεί να εξηγηθεί από προηγούμενες συγχωνεύσεις μικρότερων Μ.Τ. σ’ ένα περιβάλλον όπου μπορεί να υπάρχουν Μ.Τ. σε κοντινές μεταξύ τους αποστάσεις, όπως είναι τα πυκνά αστρικά σμήνη ή οι δίσκοι ενεργών γαλαξιακών πυρήνων.

Όπως αναφέρεται στην σχετική ανακοίνωση «το GW190521 είναι μία παρατήρηση ρεκόρ που σπρώχνει τα όρια της γνώσης μας ως προς το σχηματισμό μαύρων τρυπών και προσφέρει νέους τρόπους μελέτης της βαρύτητας στις πιο ακραίες συνθήκες. Επίσης υποδεικνύει την ύπαρξη ενός πληθυσμού συγχωνευόμενων μαύρων τρυπών μεγάλης μάζας. Η απογραφή του πληθυσμού των αστρικών μαύρων τρυπών που ίσως ανακαλυφθεί σε μελλοντικές παρατηρήσεις των εργαστηρίων Βαρυτικών Κυμάτων LIGO στην Αμερική και την Ινδία, Virgo στην Ευρώπη και KAGRA στην Ιαπωνία θα μας βοηθήσει να σχηματίσουμε μία πιο καθαρή εικόνα για τις διαδικασίες που δημιουργούν τις Μ.Τ. αλλά και για το περιβάλλον τους. Οι μελλοντικοί ανιχνευτές που σχεδιάζονται (όπως είναι οι ανιχνευτές Einstein Telescope και Cosmic Explorer στη Γη και η LISA στο διάστημα) θα είναι πολύ πιο ισχυροί και με μεγαλύτερη ευαισθησία, και θα μπορέσουν έτσι να εντοπίσουν πολλές μαύρες τρύπες μεγάλης μάζας. Γιατί, όπως τόσο χαρακτηριστικά λέγεται, τα ρεκόρ γίνονται για να σπάνε!»

Τέλος δεν πρέπει να παραλείψω να αναφέρω εδώ ότι στην ερευνητική ομάδα του καθ. Νίκου Στεργιούλα (https://niksterg.github.io/gw-group/) στο Τμήμα Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, συμμετέχουν ο επ. καθ. Γιώργος Παππάς, ο αν. καθ. Τάσος Τέφας από το Τμήμα Πληροφορικής του ΑΠΘ και ο καθ. Χάρης Αποστολάτος από το Τμήμα Φυσικής του ΕΚΠΑ. Η ομάδα αυτή έγινε ήδη δεκτή ως μέλος του VIRGO Consortium με πλήρη συμμετοχή στην τρέχουσα ερευνητική δραστηριότητα της διεθνούς συνεργασίας LIGO-VIRGO-KAGRA, ενώ συμμετέχει επίσης και στον υπό κατασκευή διαστημικό ανιχνευτή LISA των ESA και NASA, έχοντας ήδη λάβει χρηματοδότηση από την ESA (Ευρωπαϊκός Διαστημικός Οργανισμός) για την εκπόνηση συγκεκριμένης μελέτης στην ανάλυση δεδομένων από κοσμολογικές πηγές.

Dionysios Simopoulos