Σάββατο, 19 Μαρτίου 2016

Η νέα άποψη για τις μαύρες τρύπες: Είναι αναπόφευκτες δυνάμεις της δημιουργίας

<Αστρονόμοι πιστεύουν ότι ο γαλαξίας ESO 510-G13 βρίσκεται στη φάση της σύγκρουσης με έναν άλλο γαλαξία. Οι βαρυτικές παραμορφώσεις λυγίζουν τους βραχίονες και προκαλούν μια έκρηξη σχηματισμού νέων άστρων
 
Οι μαύρες τρύπες έχουν μείνει στη συνείδηση του κόσμου ως τα τέρατα της βαρύτητας, ενώ οι θεωρητικοί φυσικοί θεωρούν ότι στο εσωτερικό τους κυριαρχούν μυστήριες ιδιότητες και ότι συμπεριφέρονται σαν αγωγούς της καταστροφής και του θανάτου.

Έτσι μπορεί να φαίνεται περίεργο το γεγονός πως μερικοί κοσμολόγοι επανεξετάζουν τις απόψεις αυτές για τις μυστηριώδεις μαύρες τρύπες, θεωρώντας τις πια δυνάμεις της δημιουργίας.

Οι μαύρες τρύπες κάτω από το νέο πρίσμα έπαιξαν σπουδαίο ρόλο στην εξέλιξη του σύμπαντος. Πολλοί κοσμολόγοι, που ξαναγράφουν την ιστορία τους, τις αντιμετωπίζουν ως 'γαλαξιακούς γλύπτες'. Κατά την αναθεωρημένη άποψη, που περιέχει όμως και μερικά σκοτεινά γεγονότα, οι μαύρες τρύπες αποδεικνύονται ότι είναι θεμελιώδεις δυνάμεις στην ανάπτυξη και τής τελικής μορφής των γαλαξιών όπως και της κατανομής των άστρων σε αυτούς. Η νέα άποψη, επίσης δείχνει ότι μια μαύρη τρύπα είναι σχεδόν σίγουρα ένα προϊόν του γαλαξία μέσα στον οποίο κατοικεί. Ούτε οι γαλαξίες ούτε οι μαύρες τρύπες φαίνεται ότι μπορούν να ζήσουν μόνοι τους.

Η νεοσύστατη θεωρία μπορούμε να πούμε ότι είναι η δαρβινική θεωρία, της συνεξέλιξης.

Η συνεξέλιξη συζητείται πάνω από μια δεκαετία, αλλά πολλοί θεωρητικοί δεν την αντιμετώπισαν ποτέ σοβαρά, και κανένας δεν είχε πολλά στοιχεία για να την υποστηρίξει. Και μόνο κατά τα τελευταία πέντε χρόνια έχουν βρεθεί παρατηρητικά στοιχεία που υποστηρίζουν την συνεξέλιξη των μαύρων οπών και το σχηματισμό των γαλαξιών.

Μέχρι τώρα, οι μαύρες τρύπες θεωρήθηκαν ως τα τελικά σημεία της εξέλιξης της ύλης στον Κόσμο. Με τη νέα θεωρία οι αστροφυσικοί πιστεύουν ότι οι μαύρες τρύπες διαδραματίζουν και έναν κρίσιμο ρόλο στη γέννηση των γαλαξιών.

Η άποψη αυτή μπορεί να εξηγήσει με ποιο τρόπο αναπτύχθηκαν οι τεράστιοι γαλαξίες που βρέθηκαν να υπάρχουν στην αρχική φάση (ένα έως τρία δισεκατομμύρια χρόνια) του σύμπαντος. Και το γεγονός αυτό κάνει τους θεωρητικούς να λένε ότι οι γαλαξίες στην πραγματικότητα σχηματίστηκαν γύρω από τις πιο παλιές μαύρες τρύπες.

Σύμφωνα με την επικρατέστερη ίσως θεωρία που έχει ως τώρα προταθεί, οι γαλαξίες σχηματίζονται «από κάτω προς τα πάνω». Αρχικά, δηλαδή, τα μικρότερα νέφη και τα άστρα σχηματίζουν κάποιους γαλαξίες-βρέφη, οι οποίοι στη συνέχεια συγκεντρώνονται αργά και συγχωνεύονται για να σχηματίσουν μεγαλύτερους γαλαξίες. Γι' αυτό και η συγκεκριμένη θεωρία ονομάστηκε «Ιεραρχικό Πρότυπο». Εάν η θεωρία αυτή αποδειχτεί σωστή, τότε όλοι οι γαλαξίες στη γειτονιά του Γαλαξία μας θα πρέπει να πήραν τη σημερινή τους μορφή μόλις πριν από ένα έως δύο δισεκατομμύρια χρόνια. Επίσης, όταν ήταν ακόμη νέοι, θα πρέπει να είχαν πιο ακανόνιστα σχήματα.

Οι γαλαξίες-βρέφη στριφογυρίζουν

Για να ελέγξουν την προηγούμενη υπόθεση, οι αστρονόμοι κάνουν κάτι που κανείς άλλος δεν μπορεί: βλέπουν πίσω στο χρόνο. Για να παρατηρήσουν, όμως, τη γέννηση των πρώτων γαλαξιών, θα πρέπει το βλέμμα τους να φτάσει σε αποστάσεις 13 δισεκατομμυρίων ετών φωτός στο διάστημα. Από καθαρά τεχνική άποψη, το να μπορέσει κανείς να δει τόσο μακριά -και τόσο πίσω στο χρόνο-αποτελεί μια τεράστια πρόκληση.

Από την 24η Σεπτεμβρίου 2003 μέχρι τη 16η Ιανουαρίου 2004, το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble εστίασε το ηλεκτρονικό του μάτι στο απόλυτο όριο των δυνατοτήτων του, παρατηρώντας για σχεδόν 280 ώρες το ίδιο σημείο του σύμπαντος, στον αστερισμό Κάμινος. Το αποτέλεσμα ήταν οι μοναδικές εικόνες "Εξαιρετικά Βαθέως Πεδίου" (Ultra Deep Field), οι οποίες δείχνουν 10.000 νεαρότατους γαλαξίες, όπως ήταν 400 με 700 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Οι γαλαξίες αυτοί έχουν μικρό μέγεθος και παραμορφωμένα σχήματα, που θυμίζουν τα πάντα - από σαλαμάνδρες μέχρι οδοντογλυφίδες. Αυτές οι παρατηρήσεις συμφωνούν πολύ με το Ιεραρχικό Πρότυπο.

Ωστόσο, παρατηρήσεις από το πιο προηγμένης τεχνολογίας οπτικό όργανο του κόσμου, το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο (Very Large Telescope - VLT) του Ευρωπαϊκού Νότιου Παρατηρητηρίου (ESO), υποστηρίζουν κάτι άλλο: Το 2004, το τηλεσκόπιο αυτό αποκάλυψε 4 μεγάλους σπειροειδείς γαλαξίες, που απέχουν 12 δισεκατομμύρια έτη φωτός από το Γαλαξία μας. Σύμφωνα όμως με το Ιεραρχικό Πρότυπο, οι μεγάλοι γαλαξίες θα πρέπει να σχηματίστηκαν από τη συγχώνευση μικρότερων γαλαξιών και αφού το σύμπαν είχε ήδη διανύσει το ήμισυ της σημερινής του ηλικίας, των 13,7 δισεκατομμυρίων ετών. Οι σπειροειδείς αυτοί γαλαξίες σχηματίστηκαν, δηλαδή, πολύ νωρίτερα από ό,τι το Ιεραρχικό Πρότυπο προβλέπει.

Κι εδώ προτάθηκε μια νέα λύση στο αδιέξοδο: Παραχωρώντας στις μαύρες τρύπες έναν κεντρικό ρόλο στο ιεραρχικό πρότυπο, οι αστρονόμοι κατάφεραν να εναρμονίσουν τη θεωρία με τα αποτελέσματα των παρατηρήσεων.

Το 2000, ο δορυφόρος Chandra των ακτίνων-Χ ανακάλυψε στο κέντρο του Γαλαξία μας μια μαύρη τρύπα με μάζα ίση περίπου με αυτήν που αντιστοιχεί σε 3 εκατομμύρια ήλιους. Αναλύοντας δεδομένα από το Sloan Digital Sky Survey (το μεγαλύτερο μέχρι στιγμής πρόγραμμα χαρτογράφησης του ουρανού, που, όταν ολοκληρωθεί, θα έχει υπολογίσει τις αποστάσεις περισσότερων από 1 εκατομμύριο γαλαξιών και κβάζαρ), οι επιστήμονες ανακάλυψαν - ούτε λίγο ούτε πολύ - γύρω στις 20.000 υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στο κέντρο ισάριθμων γαλαξιών.

Έτσι, η πλειονότητα των αστρονόμων σήμερα υιοθετεί την άποψη ότι οι περισσότεροι γαλαξίες κάποιου μεγέθους φιλοξενούν μια τεράστια μαύρη τρύπα στο κέντρο τους. Επιπλέον, οι γαλαξίες αυτοί μπορεί κάλλιστα να οφείλουν στις μαύρες τρύπες τους πολύ περισσότερα απ' όσα θα τολμούσαμε να φανταστούμε. Ο αστρονόμος John Magorrian, για παράδειγμα, ανακάλυψε ότι η μάζα της μαύρης τρύπας που βρίσκεται στο κέντρο ενός γαλαξία αυξάνεται ανάλογα με τη συνολική μάζα του γαλαξία αυτού. Όμως η μάζα του γαλαξία εξαρτάται από τη μάζα της μαύρης τρύπας, ή συμβαίνει το αντίστροφο; Αυτό είναι ένα από τα ερωτήματα που περιμένουν απάντηση.

Τι δημιουργήθηκε πρώτα;Στις αρχές του 2003 δημοσιεύτηκαν φωτογραφίες του Hubble που παρουσίαζαν τους πιο απόμακρους "κανονικούς" γαλαξίες που έχουν παρατηρηθεί ποτέ. Και οι αστρονόμοι βεβαιώνουν ότι αν και έχουν ηλικία 13 δισεκατομμυρίων ετών (μόλις ένα δισ. χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη), μοιάζουν με τον δικό μας Γαλαξία.

Σχεδόν συνομήλικα είναι και τα κβάζαρ, που παρατηρήθηκαν όμως ξεχωριστά με την Ψηφιακή Έρευνα του Ουρανού Sloan. Τα κβάζαρ - συμπαγή και απίστευτης λαμπρότητας αντικείμενα - θεωρούνται ότι έχουν στον πυρήνα τους μια γιγάντια μαύρη τρύπα με μάζα δισεκατομμύρια φορές αυτήν του ήλιου μας, Ενώ όλα τα κβάζαρ καταλαμβάνουν ένα χώρο ίσως μικρότερη και από το ηλιακό σύστημά μας.

Η βαρύτητα των κβάζαρ απορροφά το κοντινό διαστρικό αέριο - με μια ταχύτητα σχεδόν εκείνης του φωτός - υπερθερμαίνεται και καταπίνεται από την μαύρη τρύπα. Η διαδικασία αυτή ελευθερώνει ένα τεράστιο ποσό ενέργειας -- σε μορφή ραδιοκυμάτων, ακτίνων X και κανονικό φως. Και όταν τα κβάζαρ λάμπουν έχουν μια φωτεινότητα που μπορεί να υπερβεί την φωτεινότητα χίλιων κανονικών γαλαξιών.

Τα κβάζαρ φαίνονται επίσης να περιβάλλονται από φωτοστεφάνους σκοτεινής ύλης, ένα αινιγματικό και απαρατήρητο συστατικό όλων των γαλαξιών. Η σκοτεινή ύλη συνυπάρχει γύρω και ανάμεσα στο φωτοστέφανο, ενώ οι ερευνητές αναγνωρίζουν ότι είναι μια περιοχή τόσο μεγάλη όσο και ο Γαλαξίας μας.

Έτσι, μετά από αυτές τις ανακοινώσεις ξαναήλθε στην επιφάνεια το ερώτημα: Ποιό εμφανίστηκε πρώτα, ο γαλαξίας ή η μαύρη τρύπα;

Οι θεωρητικοί της συνεξέλιξης πιστεύουν ότι οι γαλαξίες μπορεί να σχηματίστηκαν ταυτόχρονα γύρω από μια αυξανόμενη μαύρη τρύπα. Και ότι στην πραγματικότητα τα κβάζαρ είναι μια φάση εξέλιξης των γαλαξιών. Αυτή η ιδέα έρχεται σε αντίθεση με τη σημερινή άποψη ότι όταν καταρρέει ένας ήδη υπάρχων γαλαξίας διαμορφώνεται ένα συμπαγές κβάζαρ.

Εξελικτική ιδέα

Στα μέσα της δεκαετίας του '90 ερευνητές βρήκαν στοιχεία που υπαινίσσονταν ότι μια σημαντική μαύρη τρύπα στο κέντρο ενός γαλαξία σχετιζόταν με τη μορφή αυτού του γαλαξία. Ήταν τα πρώτα αποδεικτικά στοιχεία για την συνεξέλιξη. Και όπως δέχονται οι ειδικοί μόνο οι γαλαξίες με μια σφαιρική διόγκωση εμφανίζονται να εφοδιάζουν τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.

Ο Γαλαξίας μας είναι ένα καλό παράδειγμα αυτού του είδους με μια γαλαξιακή διόγκωση με άστρα στο κέντρο του. Ο Γαλαξίας μας είναι μικρότερος από πολλούς γαλαξίες ενώ έχει και μια αντίστοιχα μικρότερη ογκώδη μαύρη τρύπα -- με μάζα κατά προσέγγιση 2,6 εκατομμύρια φορές αυτή του ήλιου. Και είναι σχεδόν σίγουρο ότι κάποτε είχε σε μια φάση του κάποιο κβάζαρ.

Αλλά την εποχή εκείνη - μέσα της δεκαετίας του '90 - κανένας δεν ήταν σίγουρος για το πως ήταν οι κυρίαρχες μαύρες τρύπες. Η θεωρία και μερικές παρατηρήσεις έδειχναν ότι ήταν πιθανώς πανταχού παρόντες.

Φτάνοντας στο 2000, οι αστρονόμοι βρήκαν στέρεες αποδείξεις ότι οι μαύρες τρύπες κρύβονται βαθιά μέσα σε πολλούς και πιθανώς σε όλους τους γαλαξίες, που έχουν την κλασική κεντρική διόγκωση με άστρα. Μια προσεκτική ανάλυση έδειξε έναν άμεσο συσχετισμό μεταξύ της μάζας σε κάθε μαύρη τρύπα και της μορφής και του πεδίου της διόγκωσης, αλλά και του συνολικού μεγέθους ενός γαλαξία.

Από τότε άρχισε να μπαίνει ξανά στο προσκήνιο η συνεξέλιξη των γαλαξιών και των υπερβολικά μεγάλων μαύρων οπών.

Εν συνεχεία το 2001, δύο ξεχωριστές ομάδες έδειξαν ότι πολλοί μικρότεροι γαλαξίες, που δεν είχαν διογκώσεις, δεν φαίνονταν να περιέχουν σημαντικές μαύρες τρύπες.

Κατά στο τέλος του 2002 σημαντικές μελέτες πρόσφεραν μια ανεξάρτητη επιβεβαίωση για το ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες μπορούν να αλλάξουν σημαντικά τη δομή και την εξέλιξη των γαλαξιών.

Υπάρχουν πολλές παραλλαγές στη βασική θεωρία της συνεξέλιξης. Κάθε παραλλαγή προσπαθεί να εξηγήσει ένα ενοχλητικό γεγονός: Πώς 500 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang γεννήθηκαν οι αόρατες σφαίρες της ύλης (μαύρες τρύπες), ενώ αρκετές από αυτές απέκτησαν μάζα ίση με ένα δισεκατομμύριο - ή και περισσότερο - ήλιους, καθοδηγώντας έτσι τη μορφή και τη σύσταση των στροβιλιζόμενων νεογέννητων αστεριών.

Μερικοί θεωρητικοί της συνεξέλιξης έχουν προτείνει το εξής σενάριο: μια τεράστια μαύρη τρύπα απλά καταρρέει από ένα προ-γαλαξιακό νέφος και χρησιμεύει σαν ένας μηχανισμός που μπορεί να καθοδηγήσει την περαιτέρω ανάπτυξη των γαλαξιών. Υπάρχουν δε βιώσιμες θεωρίες, που δεν έχουν αναιρεθεί ακόμα, ότι πρώτα μπαίνει σε λειτουργία η μαύρη τρύπα, ενώ άλλες ότι ο γαλαξίας είναι υπεύθυνος για το σχηματισμό μιας μαύρης τρύπας.

Πολλοί αστρονόμοι, μεταξύ αυτών και ο Martin Rees, δεν είναι πολύ σίγουροι εάν οι μαύρες τρύπες διαδραμάτισαν οποιοδήποτε ρόλο στο σχηματισμό των πρώτων γαλαξιών. Και αυτό φαίνεται στους πολύ μικρούς γαλαξίες όπου δεν μπορούν να σχηματιστούν μαύρες τρύπες. Άρα δεν είναι σίγουρο εάν υπάρχει σύνδεση μεταξύ των "μικρών" αστρικών οπών - που σχηματίζονται από την κατάρρευση των πολύ μεγάλων άστρων - και των πολύ μεγάλων οπών (με εκατομμύρια ηλιακές μάζες) που υπάρχουν στα κέντρα των γαλαξιών.

Η σκοτεινή ύλη

Μέχρι πρόσφατα, οι αστρονόμοι πίστευαν ότι η Γαλαξία Οδός των αρχαίων γεννήθηκε όταν ένα νέφος υδρογόνου και ηλίου άρχισε να συρρικνώνεται εξαιτίας του ίδιου του βάρους του, μερικές δεκάδες εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Με τη συρρίκνωση αυτή, δημιουργήθηκε ένας τεράστιος δίσκος από αέρια και σκόνη, μέσα στον οποίο σχηματίστηκαν δισεκατομμύρια άστρα και πλανήτες.

Αρχικά η θεωρία αυτή φαινόταν να εξηγεί γιατί ο Γαλαξίας μας είναι πεπλατυσμένος και γιατί σχεδόν όλα τα άστρα κινούνται με την ίδια φορά γύρω από το γαλαξιακό κέντρο - ωστόσο, γεννάει και πολλά ερωτήματα. Μετρώντας την ταχύτητα περιστροφής των άστρων σε συνάρτηση με την απόσταση τους από το γαλαξιακό κέντρο, οι αστρονόμοι μπορούν να υπολογίσουν τη βαρυτική δύναμη και τη μάζα που απαιτείται για συγκρατήσει τα άστρα αυτά στην τροχιά τους. Όμως, από τους υπολογισμούς προκύπτει ότι ο Γαλαξίας διαθέτει πολύ λίγη μάζα για να μπορεί να συγκρατήσει τον βίο του τον εαυτό.

Ήδη από το 1933, ο Ελβετός αστροφυσικός Fritz Zwicky απέδειξε ότι η ορατή ύλη στο γαλαξιακό υπερσμήνος της Κόμης αντιστοιχεί σε ένα ελάχιστο ποσοστό της συνολικής του μάζας, το μεγαλύτερο μέρος της οποίας δεν εκπέμπει ακτινοβολία και είναι αόρατο. Η παραδοχή της ύπαρξης αυτής της «σκοτεινής ύλης», όπως τη βάφτισε πρώτος ο Zwicky, είναι πλέον καθολική.

Μέχρι σήμερα έχουν προταθεί ποικίλα θεωρητικά πρότυπα για την εξέλιξη του Σύμπαντος και το σχηματισμό δομής σε αυτό, τα οποία βασίζονται στην ύπαρξη διαφορετικών μορφών σκοτεινής ύλης. Τα πρότυπα αυτά ελέγχονται, όταν οι προβλέψεις τους για το σύμπαν συγκρίνονται με τα δεδομένα των επιστημονικών παρατηρήσεων ή τα αποτελέσματα μελλοντικών πειραμάτων στο CERN και αλλού. Τέτοιες προβλέψεις, για παράδειγμα, αφορούσαν συγκεκριμένους σχηματισμούς στο λεγόμενο κοσμικό υπόβαθρο των μικροκυμάτων, το οποίο είναι ένα είδος δακτυλικού αποτυπώματος του νεογέννητου σύμπαντος 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Το 2003, ο δορυφόρος Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) επιβεβαίωσε πανηγυρικά τις προβλέψεις αυτές.

Η σκοτεινή ύλη μπορεί να μην έχει ανιχνευθεί ακόμα αλλά διαπερνά όλους τους γαλαξίες. Και είναι γνωστό ότι μια άλως - ή φωτοστέφανος - από σκοτεινή ύλη περιβάλλει το Γαλαξία μας. Ναι μεν δεν αλληλεπιδρά με το φως αλλά έχει μεγάλη βαρυτική επίδραση, ενεργώντας ως αόρατη κόλλα για την συγκράτηση των γαλαξιών και τη μη διάλυση τους.

Τώρα, κάτω από το φως των νέων δεδομένων, η σκοτεινή ύλη λαμβάνεται υπόψη στα κύρια μοντέλα της συνεξέλιξης, αλλά μόνο γενικά. Μερικοί ερευνητές, εντούτοις, νομίζουν ότι η σκοτεινή ύλη, περισσότερο και από μια μαύρη τρύπα, συνδέεται σαφώς με τη γέννηση και την ανάπτυξη ενός γαλαξία.

Αρχές του 2003 δημοσιεύτηκαν τα πρώτα άμεσα στοιχεία για τους φωτοστεφάνους της σκοτεινής ύλης γύρω από τα πρώτα κβάζαρ. Και όπως δέχονται οι επιστήμονες, τα στοιχεία αυτά υποστηρίζουν τις θεμελιώδεις ιδέες της συνεξέλιξης. Όπως είναι επίσης σαφές ότι η σκοτεινή ύλη δεν αμφισβητείται σε καμιά θεωρία.

Η φυσικός Laura Ferrarese, που ανέλυσε αυτά τα ευρήματα της σκοτεινής ύλης, λέει ότι όλα δείχνουν μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα, τα αστέρια γύρω από αυτήν, και η άλως της σκοτεινής ύλης λειτουργούν από κοινού για να χτιστεί η δομή του γαλαξία. Αλλά βλέπει το ρόλο της σκοτεινής ύλης σαν τον σημαντικότερο γιατί υπάρχει συσχετισμός μεταξύ της μάζας της μαύρης τρύπας και της μάζας του φωτοστεφάνου της σκοτεινής ύλης, όχι απαραιτήτως η μάζα ο ίδιος του γαλαξία," είπε.

Μέσα σε αυτό το συγκεχυμένο πλαίσιο απόψεων και παρατηρήσεων οι θεωρητικοί πρέπει να εργαστούν σκληρά για να εξηγήσουν ένα δύσκολο θέμα: Κάπου μεταξύ 300 και 800 εκατομμυρίων ετών μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, γεννήθηκαν οι πρώτες μαύρες τρύπες με μάζα περισσότερη από 1 δισεκατομμύριο ήλιους.

Και προτού αποφασίσουμε αν υπάρχει συσχετισμός σε οποιαδήποτε εξελικτική γαλαξιακή διαδικασία πρέπει να εξετάσουμε αυτό: Μια μαύρη τρύπα κατέχει πολύ λιγότερο από το 1 τοις εκατό της συνολικής μάζας του Γαλαξία που φιλοξενείται.

Το πρώτο φως στον Κοσμικό Μεσαίωνα

Η ιστορία των πρώτων μαύρων οπών -- που οδήγησαν στη δημιουργία αισθητών αντικειμένων -- είναι συνδεδεμένη με τον σχηματισμό των πρώτων - πρώτων άστρων. Η ανάπτυξη της σκέψης αυτής απαιτεί να πάμε στην πρώτη εποχή του σύμπαντος.

Όταν γεννήθηκε το σύμπαν, δεν υπήρχε παρά υδρογόνο, ήλιο και λίγο λίθιο. Όλο αυτό το υλικό διατηρήθηκε για περίπου 300.000 χρόνια προτού να συμβεί τίποτα σημαντικό. Το αέριο συμπιέστηκε επίσης και επομένως έγινε πάρα πολύ καυτό, για να είναι σταθερό. Βαθμιαία, το σύμπαν επεκτάθηκε και ψύχθηκε τόσο ώστε το μίγμα των αερίων επανασυνδυάστηκε, με αποτέλεσμα να σταθεροποιεί σε μια ουδέτερη κατάσταση.

Το υδρογόνο ήταν ακόμα πάρα πολύ καυτό για να σχηματίσει αστέρια, γι αυτό και περίμενε υπομονετικά - επί 300 εκατομμύρια χρόνια - μέχρι να διασταλεί κι άλλο το σύμπαν και να φτάσει στην κατάλληλη θερμοκρασία. Μόλις έγινε αυτό, ξεχύθηκε το πρώτο φως που έσπασε το απόλυτο σκοτάδι του Κόσμου - το Κοσμικό Ξημέρωμα. Ήταν τότε που ξαφνικά άρχισαν τα πρώτα αστέρια να λάμπουν μέσω της εναπομείνουσας αρχέγονης ομίχλης. Απομεινάρια της ακτινοβολίας αυτής αποτελεί η Μικροκυματική Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου που ανιχνεύτηκε πριν λίγες δεκαετίες.

Αλλά για τα επόμενα 500 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang συναντούμε τον Κοσμικό Μεσαίωνα της κοσμολογίας.

Οι πρώτες μαύρες τρύπες

Το 1916, ο Γερμανός αστρονόμος Karl Schwartzschild κατέληξε σε μία λύση των εξισώσεων της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Einstein που αντιστοιχούσε σε έναν άγνωστο μέχρι τότε τύπο κοσμικών αντικειμένων, τα οποία, αρκετά χρόνια αργότερα, ο μεγάλος θεωρητικός φυσικός John Wheeler ονόμασε μαύρες τρύπες. Οι μαύρες τρύπες διαθέτουν τόσο ισχυρά βαρυτικά πεδία, ώστε τίποτα -ούτε καν το φως- να μην μπορεί να διαφύγει από την πανίσχυρη έλξη τους.

Γι' αυτό, οι μαύρες τρύπες σύντομα έγιναν σύμβολα του θανάτου και της καταστροφής στο σύμπαν. Αυτή η πεποίθηση ενισχύθηκε τη δεκαετία του 1930, όταν διατυπώθηκε η θεωρία ότι οι μαύρες τρύπες είναι κατάλοιπα άστρων με τεράστια πυκνότητα μάζας, που κατέρρευσαν βαρυτικά.

Πιο παλιά οι επιστήμονες πίστευαν ότι οι γαλαξίες διαμορφώνονται από κάποια μονολιθική κατάρρευση, στην οποία ένα γιγαντιαίο νέφος αερίου έπεσε ξαφνικά προς το εσωτερικό του. Η σύγχρονη άποψη - η λεγόμενη ιεραρχική συγχώνευση - είναι ότι φτιάνεται κομμάτι-κομμάτι κατά τη διάρκεια του χρόνου. Και ότι οι αρχικοί κυματισμοί στο διάστημα δημιούργησαν κόμβους και νημάτια όχι μόνο τοπικά αλλά και σε μεγάλες περιοχές του διαστήματος. Μεμονωμένες δε μάζες αερίου κατέρρευσαν και έτσι γεννήθηκαν τα αστέρια.

Τα πρώτα αστέρια πρέπει να ήταν τεράστια, ίσως 200 φορές το βάρος του ήλιου μας ή και περισσότερο. Θα αποτελούνταν σχεδόν από καθαρό υδρογόνο -- το βασικό συστατικό της θερμοπυρηνικής σύντηξης, που κάνει να λάμπει ένα αστέρι.

Ξέρουμε ότι όσο πιο μεγάλο είναι ένα άστρο τόσο πιο νέο πεθαίνει. Μερικά επιζούν μόνο για 10 εκατομμύρια χρόνια (ο ήλιος για σύγκριση είναι 4,6 δισεκατομμυρίων ετών και βρίσκεται ακριβώς στο μέσον της ζωής του). Μετά το θάνατο των πρόωρων άστρων ακολουθεί μια κολοσσιαία έκρηξη, στέλνοντας βαρύτερα στοιχεία προς το διάστημα. Η υπόλοιπη ύλη καταρρέει. Μια μάζα ίση με πολλούς ήλιους μπορεί να καταλήξει σε μια σφαίρα όχι μεγαλύτερη από μια πόλη. Το αποτέλεσμα: μια αστρική μαύρη τρύπα. Αυτά τα αντικείμενα είναι τόσο πυκνά που τίποτα, ακόμα και το φως, δεν μπορεί να διαφύγει από τον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας.

Οι αστρικές μαύρες τρύπες δεν έχουν τόση μάζα όσο και οι γιγάντιες που κατοικούν στα κέντρα των γαλαξιών. Έχουν μάζα μερικές φορές αυτή του ήλιου. Αλλά στην αρχή οι μαύρες τρύπες μπορεί να ήταν και 100 φορές μεγαλύτερες από τον ήλιο.

Κατά τη διάρκεια όλων αυτών των δεκάδων και εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών, γεννιούνται ολοένα και περισσότερα αστέρια από τα συντρίμμια των πρώτων αστεριών. Αφού συγκεντρώθηκαν αρχικά σε ομάδες λίγων άστρων και αργότερα σε σμήνη πολλών χιλιάδων άστρων, άρχισαν να μοιάζουν και να συμπεριφέρονται σαν έναν υπο--γαλαξία. Μερικοί από αυτούς πιθανώς να φιλοξενούσαν κοντά στα κέντρα τους και μαύρες τρύπες.

Στο σημείο αυτό συνεχίζει η θεωρία. Η διαίσθηση προτείνει ότι πολλές από αυτές τις τεράστιες αστρικές μαύρες τρύπες απλώς συγχωνεύτηκαν, έως ότου αναπτύχθηκε ένα κεντρικό αντικείμενο με αρκετή μάζα για να οδηγήσει τη μορφή και τη μελλοντική ανάπτυξη του γαλαξία του. Και εάν αυτή η διαίσθηση είναι σωστή τότε ποιά μαύρη τρύπα έγινε το κέντρο;

Στην πραγματικότητα, κανένας δεν βεβαιώνει εάν οι πρώτες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες αναπτύχθηκαν από μια σειρά συγχωνεύσεων -- στην αρχή έχοντας μάζα μερικές δωδεκάδες ηλιακές μάζες μέχρι να φτάσουν το ένα δισεκατομμύριο ηλιακές μάζες -- ή εάν κατέρρευσαν από κάποιο αρχικό νέφος αερίου που συμπυκνώθηκε. Μερικοί αστροφυσικοί πιστεύουν το πρώτο σενάριο, αν και όλα είναι θεωρίες ακόμα.

Χαμένες μαύρες τρύπες μεσαίου βάρους

Η γέννηση και η ανάπτυξη γαλαξιών είναι μια ατέρμονη διαδικασία, και οι ενδείξεις για την πρόωρη εξέλιξη των μαύρων οπών υπάρχουν σε όλο το Γαλαξία μας και σε όλο τον Κόσμο. Οι αστρονόμοι επομένως εξετάζουν σύγχρονα αστρονομικά αντικείμενα μήπως ανακαλύψουν ενδείξεις για τις προγονικές ρίζες τους.

Οι μαύρες τρύπες είναι παντού. Μόνο στον Γαλαξία μας θα μπορούσαν να υπάρχουν εκατομμύρια αστρικές μαύρες τρύπες. Αριθμός βασισμένος στην ανακάλυψη μερικών πρωτόγονων. Για αυτό και πρέπει να υπάρχουν όχι μόνο οι θηριώδεις ή οι μικρές αστρικές αλλά και οι μεσαίου βάρους μαύρες τρύπες, που να βεβαιώνουν την πορεία τους από τις μικρές έως τις τεράστιες. Ορισμένοι αστρονόμοι είναι σίγουροι ότι έχουν βρει μερικές από αυτές, που μέχρι τώρα αποτελούν τον χαμένο κρίκο της εξέλιξης τους. Όμως είναι μεταξύ των πιο αμφισβητούμενων θεμάτων σε όλη αστρονομία.

Και αυτοί που λένε ότι βρέθηκαν και οι διαφωνούντες - για την ανακάλυψη του χαμένου κρίκου των μαύρων οπών - συνήθως συμφωνούν ότι ο όγκος μιας τεράστιας μαύρης τρύπας δεν έγινε μέσω των αρχικών συγχωνεύσεων. Μόλις επιτευχθεί μια κρίσιμη μάζα -- και αυτό δείχνει να γίνεται σε μια χρονική στιγμή που δεν μπορούν να δουν οι αστρονόμοι σήμερα, τότε η μαύρη τρύπα φαίνεται να κερδίζει το μεγαλύτερο μέρος της μάζας της καταπίνοντας αέριο από το περιβάλλον της.

Οι μαύρες τρύπες είναι πολύ παλιές

Μπορούμε να στηρίξουμε τη νέα θεωρία με βάση την παλιά θεωρία της Κατάρρευσης: Στα πρώιμα στάδια της ανάπτυξης των γαλαξιών, πολλοί αστέρες θα κατανάλωσαν σύντομα τα καύσιμα τους, οπότε εξερράγησαν σαν υπερκαινοφανείς (σουπερνόβα), αφήνοντας πίσω τους από μια μικρή μαύρη τρύπα, που καταβροχθίζει ύλη. Κατά συνέπεια, αφού οι μεγάλοι γαλαξίες διαθέτουν περισσότερη ύλη απ' ό,τι οι μικροί, οι μαύρες τρύπες στο κέντρο τους γίνονται κι αυτές μεγαλύτερες.

Οι θεωρητικοί της γένεσης των γαλαξιών υπολογίζουν ότι, σύμφωνα με το μοντέλο αυτό, μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα μπορεί να σχηματιστεί μέσα σε λίγα δισεκατομμύρια χρόνια. Δυστυχώς όμως, σήμερα γνωρίζουμε πολλές τέτοιες μαύρες τρύπες, που είναι πολύ παλιότερες απ' ό,τι αυτό το μοντέλο προβλέπει. Για παράδειγμα, ο δορυφόρος ακτίνων Χ Chandra της NASA εντόπισε μια μαύρη τρύπα με μάζα ενός δισεκατομμυρίου ηλιακών μαζών στο κέντρο του κβάζαρ SDSSp J1306. Η μαύρη αυτή τρύπα δημιουργήθηκε πριν περάσουν ένα δισεκατομμύριο χρόνια στην ιστορία του σύμπαντος. Υπερβολικά γρήγορα, δηλαδή, αν λάβουμε υπόψη μας την παλιά θεωρία.

Γι' αυτό, πολλοί αστρονόμοι πρότειναν την αντίστροφη λύση: Ίσως να μην αναπτύχθηκαν οι μαύρες τρύπες χάρη στους γαλαξίες. Μπορεί οι μαύρες τρύπες να λειτούργησαν σαν μικροί σπόροι στο νεαρό σύμπαν, και από αυτές να σχηματίστηκαν τα πάντα. Εάν παραχωρήσει κανείς στις μαύρες τρύπες το ρόλο του υποκινητή της όλης διαδικασίας με βάση το Ιεραρχικό Πρότυπο, προκύπτει ένα μοντέλο που εναρμονίζεται πλήρως με τις παρατηρήσεις των αστρονόμων, αν και πολλά ερωτηματικά παραμένουν ακόμη αναπάντητα.

Το συγκεκριμένο μοντέλο σχηματισμού του Γαλαξία μας, αλλά και των μυριάδων άλλων γαλαξιών του σύμπαντος, υποστηρίζει τα εξής: Τα πρώτα ουράνια σώματα που σχηματίστηκαν μετά τη Μεγάλη Έκρηξη ήταν μια ομάδα άστρων τεραστίων διαστάσεων, πολλά από τα οποία -λόγω της μάζας τους, που έφτανε μέχρι και τη μάζα 200 ήλιων- εξάντλησαν τα καύσιμα τους σε μόλις 10 εκατομμύρια χρόνια. Στη φάση που έγιναν υπερκαινοφανείς, εξερράγησαν και η σκόνη τους σκορπίστηκε στο διάστημα υπό μορφή βαρέων στοιχείων. Οι υπερκαινοφανείς αστέρες άφησαν πίσω τους μικρές μαύρες τρύπες, οι οποίες μπόρεσαν να ασκήσουν έλξη στην επόμενη γενιά άστρων, σκόνης και αερίων, δημιουργώντας έτσι μικρούς γαλαξίες-βρέφη. Με την πάροδο πολλών εκατομμυρίων ετών, αυτοί οι γαλαξίες-βρέφη άρχισαν να συγχωνεύονται, σχηματίζοντας μεγαλύτερους γαλαξίες, σαν τον δικό μας.

Μέγα συγχωνεύσεις

Σε αντίθεση με όσα έχουν υποστηριχτεί παλιότερα, η δημιουργία του Γαλαξία δεν αποτελεί ένα κεφάλαιο που έχει κλείσει - συνεχίζεται και θα συνεχίζεται στο απώτερο μέλλον. Οι αστρονόμοι, για παράδειγμα, παρατηρούν τεράστιες ποσότητες αερίων, οι οποίες, κάθε λεπτό, εισβάλλουν στο Γαλαξία μας και σχηματίζουν νέα άστρα.

Εκτός αυτού, ο Γαλαξίας μας καταβροχθίζει ασταμάτητα γειτονικούς μικρότερους γαλαξίες. Οι αστρονόμοι, επιπλέον, προβλέπουν και μια μεγάλη γαλαξιακή σύγκρουση. Η τοπική μας γαλαξιακή ομάδα αποτελείται από 40 περίπου γαλαξίες, από τους οποίους ο γαλαξίας της Ανδρομέδας είναι ο μεγαλύτερος.

Προς το παρόν, ο γαλαξίας της Ανδρομέδας και ο Γαλαξίας μας πλησιάζουν ο ένας τον άλλο με ταχύτητα 500.000 χιλιομέτρων την ώρα και, σύμφωνα με τις προβλέψεις, θα συγκρουστούν σε 3 περίπου δισεκατομμύρια χρόνια. Η σύγκρουση αυτή θα εξαπολύσει έναν κυκεώνα βαρυτικών δυνάμεων, οι οποίες θα ενώσουν την ύλη των δύο γαλαξιών, σχηματίζοντας, μερικά δισεκατομμύρια χρόνια αργότερα, ένα νέο - ελλειπτικό - υπερ-γαλαξία.

Αντί, λοιπόν, να θεωρούμε τους γαλαξίες απολιθώματα του σύμπαντος, θα έπρεπε να τους βλέπουμε σαν πολύπλοκους ζωντανούς οργανισμούς, που αναπτύσσονται σε στενή αλληλεπίδραση με άλλους γαλαξίες. Ωστόσο, κάποτε, η αλληλεπίδραση αυτή θα σταματήσει. Αυτό θα γίνει όταν η διαστολή του σύμπαντος απομακρύνει τους γαλαξίες τόσο πολύ τον έναν από τον άλλον, ώστε αυτοί να αρμενίζουν σαν μικρά απομονωμένα νησιά στην κοσμική θάλασσα. Τότε, οι μαύρες τρύπες θα σφραγίσουν τη μοίρα των γαλαξιών, καθώς, αργά αλλά σταθερά, θα τους καταβροχθίζουν από το εσωτερικό τους.

Κάποια ημέρα λοιπόν ο Γαλαξίας μας και ο γειτονικός γαλαξίας Ανδρομέδα μπορεί να έρθουν τόσο κοντά, που η μορφή τους θα διαστρεβλωθεί τόσο πολύ, που δεν θα αναγνωρίζονται.

Η συγχώνευση των γαλαξιών είναι σχεδόν σίγουρη και πιστεύεται ότι έχει συμβάλει σημαντικά στην προηγούμενη αύξηση και του Γαλαξία μας. Το νεαρό σύμπαν, που δεν είχε επεκταθεί ακόμα πολύ, ήταν απίστευτα συσσωρευμένο. Και οι δημιουργούμενοι γαλαξίες τότε είχαν μεγάλες πιθανότητες να συγκρουστούν.

Εάν δύο γαλαξίες συγχωνεύονται, αυτό κάνουν και οι μαύρες τρύπες τους. Ένα πρόσφατο υπολογιστικό μοντέλο αποκαλύπτει ότι το γεγονός αυτό θα ήταν βίαιο, εξαπολύοντας τεράστια ακτινοβολία καθώς το αέριο είναι παγιδευμένο μεταξύ των δύο μαύρων τρυπών και κινείται με τρομακτική ταχύτητα προς την πιο μεγάλη.

Οι γαλαξιακές συγχωνεύσεις γίνονται σε εκατομμύρια χρόνια, κι έτσι δεν είναι εύκολο να παρατηρηθεί η εξέλιξη τους.

Στην καρδιά του γαλαξία NGC 6240 οι αστρονόμοι βρήκαν το 2003 όχι μία αλλά δύο μαύρες τρύπες, κατά προσέγγιση 3.000 έτη φωτός μακριά μας, που τείνουν να συγχωνευτούν. Οι παρατηρήσεις με το Chandra δείχνουν ότι ο NGC 6240 είναι στην πραγματικότητα δύο γαλαξίες που άρχισαν να συγχωνεύονται πριν περίπου 30 εκατομμύρια έτη.

<Κρυμμένοι από τη σκόνη το ζευγάρι των μαύρων οπών βρίσκεται κάπου εκεί μέσα

Άλλες ενδείξεις για τις μέγα συγχωνεύσεις προέρχονται από τα σχετικά κοντινά κβάζαρ.

Ο Richard Larson, ένας αστρονόμος στο Yale που μελετά το σχηματισμό των άστρων στους γαλαξιακούς πυρήνες, λέει ότι οι γαλαξίες μπορούν να περάσουν από διάφορες φάσεις κβάζαρ κατά τη διάρκεια της ζωής τους. Μελετώντας κβάζαρ - σε λογικότερες αποστάσεις - έχει δει σημάδια πρόσφατων συγχωνεύσεων μεταξύ δύο γαλαξιών ή άλλες αλληλεπιδράσεις μεγάλης κλίμακας που έπαιξαν το ρόλο του ερεθίσματος.

Και όπως εξηγεί ο Larson οι αλληλεπιδράσεις και οι συγχωνεύσεις είναι ένας άριστος τρόπος να διαφύγει πολύ αέριο στο κέντρο ενός γαλαξία. Και το πρώτο πράγμα που κάνει αυτό το αέριο είναι να δημιουργήσει ξαφνικά έναν τεράστιο αριθμό άστρων.

Η εποχή του έντονου σχηματισμού άστρων φαίνονται να διαρκούν περίπου 10 έως 20 εκατομμύρια έτη γύρω από ένα τυπικό κβάζαρ, την κατακλυσμιαία έκρηξη ενέργειας από το κέντρο ενεργών γαλαξιών στο κέντρο μιας μαύρης τρύπας.

Αλλά κάποια ποσότητα από το αέριο αυτό δεν πηγαίνει στην παραγωγή των άστρων αλλά πέφτει μέσα στη μαύρη τρύπα. Αυτή η βίαια φάση - της κατανάλωσης αερίου από τη μαύρη τρύπα - παρατηρείται πολύ εύκολα, επειδή η ενέργεια που ελευθερώνεται μετατρέπει το εισερχόμενο αέριο και τη σκόνη σε ένα λαμπρό νέφος. Τελικά, το χάος τελειώνει και τότε γίνονται ορατά τα νέα άστρα. Αργότερα, το ίδιο το κβάζαρ μένει γυμνό και ηρεμεί.

Ο Larson έχει υπολογίσει ότι αυτό το σενάριο για τη 'σίτιση' των μαύρων τρυπών ισχύει πιθανώς και για τα πιο απόμακρα κβάζαρ. Και υποστηρίζει την άποψη ότι οι μαύρες τρύπες στην πραγματικότητα κερδίζουν το μεγαλύτερο μέρος του όγκου τους από το αέριο που προσελκύουν.

Νέες ιδέες

Για να καταλάβουν καλύτερα τη συνεξέλιξη, οι αστρονόμοι θα πρέπει να δουν περισσότερα φαινόμενα στο σύμπαν και με μεγαλύτερη λεπτομέρεια. Και όπως λένε οι προοπτικές είναι καλές, ειδικά προς το τέλος αυτής της δεκαετίας.

Το δορυφορικό πρόγραμμα LISA για την έρευνα των βαρυτικών κυμάτων που γεννιούνται και από τις συγχωνεύσεις των μαύρων οπών, ίσως παρουσιάσει αποδείξεις ότι εμφανίζονται τέτοιες κολοσσιαίες συγκρούσεις στο σύμπαν. Ο δορυφόρος αυτός της NASA είναι έχει προγραμματιστεί να πετάξει το 2008.

Χρειαζόμαστε, επίσης, να κατανοήσουμε πολύ καλύτερα και την φύση της σκοτεινής ύλης. Η συμβολή πολλών τηλεσκοπίων είναι απαραίτητη για να την κατανοήσουμε, αλλά δεδομένου ότι κανένας δεν ξέρει τι είναι ακριβώς αυτή η ουσία, η πρόβλεψη οποιουδήποτε είδους είναι ιδιαίτερα θεωρητική.

Επίσης, πρέπει να ερευνηθούν πλήρως συγκεκριμένοι μηχανισμοί των μαύρων οπών. Μέχρι στιγμής, οι θεωρητικοί δεν ξέρουν ακόμη ακριβώς πώς η ύλη απορροφάται και καταναλώνεται.

Ο Roger Blandford, ο θεωρητικός αστροφυσικός του Caltech, έχει προτείνει έναν νέο τρόπο να αποδείξει ότι οι αρχικές συγχωνεύσεις στο σύμπαν δεν είχαν σοβαρή συνεισφορά στην αύξηση μαύρων οπών. Ο Blandford αναφέρει ότι δύο αρχικές παράμετροι χαρακτηρίζουν τις μαύρες τρύπες. Η μάζα είναι η προφανέστερη. Και η άλλη είναι η περιστροφή.

Ναι, οι μαύρες τρύπες φαίνονται να περιστρέφονται. Την ιδέα αυτή υπαινίσσονται παρατηρήσεις που έγιναν το Μάιο του 2001 αλλά δεν έχει αποδειχθεί ακόμα. Αλλά εάν η περιστροφή μπορεί να αποδειχθεί ότι είναι μια καθολική ιδιότητα των μαύρων οπών, τότε ο ρυθμός περιστροφής τους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να συμπεράνουμε κάτι πολύ σημαντικό για την ιστορία μιας μαύρης τρύπας.

Εάν λοιπόν οι μαύρες τρύπες αυξάνονται με τη συγχώνευση, από συνδυασμούς μαύρων οπών, θα πρέπει να επιβραδύνεται η περιστροφή τους αρκετά γρήγορα. Έτσι αν δούμε μαύρες τρύπες να περιστρέφονται γρήγορα, τότε πιθανώς δεν αυξήθηκαν με τη συγχώνευση, αλλά έχουν αναπτυχθεί με την προσαύξηση αερίου.

Το πιο σημαντικό όμως είναι να βρούμε κβάζαρ στις πρώτες περιόδους του σύμπαντος.

Το Hubble μπορεί να μελετήσει κβάζαρ πολύ παλιούς αλλά ο διάδοχος του, το διαστημικό τηλεσκόπιο James Web (JWST), που προγραμματίζεται να πετάξει το 2011, θα είναι το καλύτερο όργανο για την παρατήρηση αντικειμένων της Κοσμικού Μεσαίωνα.

Δεν υπάρχουν σχόλια :

Δημοσίευση σχολίου