Ένα πλανητικό σύστημα με μια μαύρη τρύπα

Είναι δυνατόν να βρεθούν μαύρες τρύπες και πλανήτες μαζί; Γι' αυτό θα κάνουμε εισαγωγή πρώτα στις μαύρες τρύπες και εν συνεχεία θα κατασκευάσουμε το ηλιακό (πλανητικό) σύστημα μιας μαύρης τρύπας.  Ξέρετε τι συμβαίνει όταν ρίχνετε μια μπάλα στον αέρα; Η μπάλα ανεβαίνει και επανέρχεται πίσω στη Γη. Εάν θα μπορούσατε να στείλετε τη μπάλα με 40.000 km/h, θα επιστρέψει ποτέ πίσω στη Γη, γιατί θα φτάσει στην ταχύτητα διαφυγής της Γης 

 

Η ταχύτητα διαφυγής είναι ένα μέτρο της βαρύτητας του σώματος. Ισχυρότερη βαρύτητα, υψηλότερη ταχύτητα διαφυγής.

 

Η ταχύτητα διαφυγής στον αστεροειδή Vesta είναι 360 μέτρα ανά δευτερόλεπτο, περίπου 1290 km/h. Η ταχύτητα διαφυγής της Σελήνης είναι 2,4 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο, περίπου 8,000 km/h. Ο Δίας έχει τη μεγαλύτερη βαρύτητα οποιουδήποτε άλλου πλανήτη στο Ηλιακό Σύστημα, με ταχύτητα διαφυγής 60 χλμ. / δευτερόλεπτο, ενώ η ταχύτητα διαφυγής του ήλιου είναι δέκα φορές υψηλότερη, 618 km/s. Το λευκό νάνο αστέρι Sirius B έχει ταχύτητα διαφυγής δέκα φορές υψηλότερη, στα 5.200 km/s (περισσότερα από 18 εκατομμύρια χιλιόμετρα την ώρα). 

 

Αυτές οι ταχύτητες διαφυγής είναι τρομερά γρήγορες. Ποιά είναι η υψηλότερη ταχύτητα διαφυγής που μπορείτε να φανταστείτε; Λοιπόν, τίποτα δεν μπορεί να ξεπεράσει το φως. Υπάρχει αντικείμενο με τόσο μεγάλη βαρύτητα που η ταχύτητα διαφυγής του να ήταν η ταχύτητα του φωτός;

 

Ε! ναι. Αυτό το σώμα είναι μια μαύρη τρύπα, με τόσο μεγάλη βαρύτητα που δεν μπορεί να διαφύγει ούτε το φως.

 

Οποιοδήποτε αντικείμενο μπορεί να είναι μια μαύρη τρύπα, αν η ταχύτητα διαφυγής του είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός.    Θα μπορούσατε να μετατρέψετε οτιδήποτε σε μια μαύρη τρύπα, αυξάνοντας τη βαρύτητά της, είτε αυξάνοντας τη μάζα του είτε με τη συρρίκνωσή του. Η βαρύτητα ενός αντικειμένου εξαρτάται από δύο μόνο παράγοντες: τη μάζα και το μέγεθος του. Υψηλότερη μάζα, ισχυρότερη βαρύτητα. Μικρότερο μέγεθος, ισχυρότερη βαρύτητα. Χωρίς να αλλάξει το μέγεθός της, η Γη θα ήταν μια μαύρη τρύπα αν η μάζα της ήταν 700 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη (με περισσότερη από 2000 φορές μάζα από τον Ήλιο!). Ή, χωρίς να αλλάξει τη μάζα της, η Γη θα ήταν μια μαύρη τρύπα, η οποία θα είχε το μέγεθος ενός μικρού βότσαλου. Ο ήλιος θα ήταν μια μαύρη τρύπα αν είχε το μέγεθος ενός γηπέδου ποδοσφαίρου. Ολόκληρος ο γαλαξίας θα ήταν μια μαύρη τρύπα αν είχε το μέγεθος του Ηλιακού Συστήματος. Εσείς ο ίδιος θα είσαστε μια μαύρη τρύπα, αν είσαστε συρρικνωμένος περίπου στο ένα δέκατο δισεκατομμυριοστό του μεγέθους ενός πρωτονίου.

 

Το μέγεθος μιας μαύρης τρύπας μετράται τυπικά με την ακτίνα Schwartzschild, ή «ορίζοντα γεγονότων», που είναι απλά η απόσταση από το κέντρο της μαύρης τρύπας όπου η ταχύτητα διαφυγής είναι ακριβώς η ταχύτητα του φωτός  

 

Υπάρχουν δύο είδη μαύρων οπών που γνωρίζουμε καλύτερα: οι αστρικές μαύρες τρύπες και υπερβαρέες μαύρες τρύπες. Οι αστρικές μαύρες τρύπες είναι αυτό που παίρνεις αν σβήσει ένα αστέρι. Αυτό συμβαίνει όταν ένα μεγάλο αστέρι καταρρέει όταν του τελειώσουν τα καύσιμα του. Τότε η βαρύτητα του αστεριού αναλαμβάνει και συρρικνώνεται, οπότε δεν μπορεί να επανέλθει στην πρότερη κατάσταση.

 

Σε ένα κανονικό αστέρι, η βαρύτητα εξισορροπείται από την πίεση που παράγεται από τη σύντηξη . Καθώς ένα αστέρι εξελίσσεται, τελικά εξαντλούνται τα καύσιμα που έχει για τη σύντηξη. Τότε δεν υπάρχει τίποτα που μπορεί να σταματήσει το αστέρι να καταρρεύσει από μόνο του. Καθώς τα μεγάλα αστέρια καταρρέουν πυροδοτούν μια τρομερή έκρηξη, την υπερκαινοφανή ή σουπερνόβα . Το κέντρο του αστεριού συνεχίζει να καταρρέει και καταλήγει είτε σε αστέρι νετρονίων είτε σε μια μαύρη τρύπα.

 

Μόνο τα πολύ ογκώδη αστέρια κάνουν εκρήξεις σουπερνόβα και μπορούν να γίνουν μαύρες τρύπες. 

 

Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες κρύβονται στα κέντρα των γαλαξιών και των γαλαξιακών σμηνών. Είναι εκατομμύρια έως δισεκατομμύρια φορές πιο βαριές από τον Ήλιο. Ο δικός μας Γαλαξίας έχει μια μαύρη τρύπα μάζας, περίπου, 4 εκατομμυρίων ήλιων . Πιστεύουμε ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες αυξήθηκαν από τις λεγόμενες αστρικές μαύρες τρύπες. Οι αστρικές μαύρες τρύπες που σχηματίζονται σε μεγάλους γαλαξίες καταβροχθίζουν κυριολεκτικά τα γειτονικά αστέρια, αέριο και άλλες μαύρες τρύπες και βυθίζονται στο κέντρο του γαλαξία. Οι υπερβαρέες μαύρες τρύπες πιθανότατα δημιουργήθηκαν πολύ νωρίς στην ιστορία του Σύμπαντος, διότι ακόμη και οι πιο απόμακροι γαλαξίες δείχνουν ότι έχουν τέτοιες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.

 

Υπάρχουν και άλλοι τύποι μαύρων οπών

 

Το σφαιρικό σμήνος Mayall II (M31 G1) είναι ένας πιθανός υποψήφιος χώρος για τη φιλοξενία μιας ενδιάμεσης μαζικής μαύρης τρύπας στο κέντρο της.

 

Ένα πολύ πυκνό σφαιροειδές σμήνος άστρων μας δίνει κάποια στοιχεία για μια ενδιάμεση μαζική μαύρη τρύπα (IMBH), περίπου 1000 Ήλιων. Δεν υπάρχει ακόμη σαφής ανίχνευση ενός IMBH, αλλά οι έμμεσες ενδείξεις από διάφορες κατευθύνσεις είναι ελπιδοφόρες. Άλλα αστρονομικά αντικείμενα μπορεί επίσης να έχουν μαύρες τρύπες σε αυτό το εύρος και οι θεωρίες αναμένουν ότι υπάρχουν, αλλά είναι δύσκολο να βρεθούν.

Ο σπειροειδής γαλαξίας RX J1140.1 + 0307 θεωρείται ότι έχει στο κέντρο του μια μαύρη τρύπα ενδιάμεσης μάζας.

 

Τώρα ας ανοικοδομήσουμε το ηλιακό μας σύστημα με μια μαύρη τρύπα.

Ένα συνηθισμένο νοητικό πείραμα στις τάξεις των φυσικών είναι να φανταστεί κανείς ότι ο Ήλιος αντικαταστάθηκε με μια μαύρη τρύπα ακριβώς της ίδιας μάζας. Τι θα άλλαζε; Η απάντηση είναι ότι τίποτα δεν θα αλλάξει όσον αφορά τις τροχιές των πλανητών. Όλες αυτές οι τροχιές εξαρτώνται από τη μάζα, και η μαύρη τρύπα έχει την ίδια μάζα με τον ήλιο. Αλλά νομίζω ότι όλοι θα μας έλειπε ο Ήλιος αρκετά γρήγορα για άλλους λόγους …

 

Προσθέτοντας μια μαύρη τρύπα στο Ηλιακό Σύστημα, βασικά αντιμετωπίζουμε τη μαύρη τρύπα σαν μια σκοτεινή ύλη  Δηλαδή, μια μάζα που δεν παρέχει κανένα φως. Αλλά εξακολουθούμε να χρειαζόμαστε το φως γιατί θέλουμε να διατηρήσουμε τη κατοικισιμότητα της Γης.

 

Ο πιο απλός τρόπος για να συμβεί αυτό είναι να αντικατασταθεί ο Ήλιος με ένα δυαδικό σύστημα μαύρης τρύπας-ήλιου. Η μόνη πραγματική επιλογή μας είναι η μάζα της μαύρης τρύπας. Για απλότητα ας χρησιμοποιήσουμε μια μαύρη τρύπα που έχει την ίδια μάζα με τον Ήλιο. Θα τοποθετήσουμε τον Ήλιο και τη μαύρη τρύπα σε στενή τροχιά. Ας πούμε, μια τροχιά με διάμετρο 0,1 αστρονομικών μονάδων (ο ημιάξονας θα είναι 0.05 AU). Είναι πολύ μεγάλο για να αποφύγουμε εδώ στη Γη τίποτα περίεργο.

 

Ο ήλιος και η μαύρη τρύπα έστω ότι περιστρέφονται το ένα γύρω από το άλλο κάθε 2,9 ημέρες. Οι τροχιές των πλανητών δεν αλλάζουν τότε αξιοσημείωτα. Διατηρώντας τις ίδιες τροχιακές αποστάσεις, κινούνται λίγο πιο γρήγορα για να αντισταθμίσουν τη μεγαλύτερη συνολική μάζα του «Ήλιου». Ένα έτος στη Γη μειώνεται από 365 ημέρες σε 258. Εκτός από αυτό, υπάρχουν ελάχιστες αλλαγές (λίγες τεχνικές λεπτομέρειες: θα επηρεαστούν οι αποκαλούμενες κοσμικές συχνότητες που σχετίζονται με τις μακροχρόνιες ταλαντώσεις στις τροχιές των πλανητών).

Η απόσταση της Γης-Ήλιου έχει τώρα μια επιπλέον παράμετρο. Σε 2,9 ημέρες ο ήλιος και η μαύρη τρύπα ολοκληρώνουν μια τροχιά. Αυτό κάνει την απόσταση Γη-Ήλιου να κυμαίνεται μεταξύ 95% και 105% της μέσης τιμής του. Η ποσότητα ενέργειας που λαμβάνεται από τη Γη κυμαίνεται μεταξύ 90% και 110% του μέσου όρου της κάθε 2,9 ημέρες. Αυτή είναι μια διαφορά 20% μεταξύ των άκρων της ενέργειας που λαμβάνεται μεταξύ των πλησιέστερων και μακρύτερων προσεγγίσεων της Γης. Είναι σαν να αναπηδούν μεταξύ της Νέας Υόρκης και του Μαϊάμι και πάλι πίσω κάθε 2,9 ημέρες. Η μέση ενέργεια που λαμβάνεται από την τροχιά της Γης δεν θα αλλάξει αισθητά.

 

Τι θα συμβαίνει όταν η μαύρη τρύπα περνά μπροστά από τον Ήλιο;

Όπως θα παρατηρείται από τη Γη, η μαύρη τρύπα θα περνάει μπροστά από τον Ήλιο μια φορά σε 3 μέρες αφού θα περνάει η μαύρη τρύπα γύρω από τον Ήλιο. Χρειάζεται δε η μαύρη τρύπα περίπου 3 λεπτά για να διασχίσει τον Ήλιο.

 

Αποδεικνύεται ότι δεν συμβαίνει αυτό για πολύ. Η ίδια η μαύρη τρύπα είναι μικροσκοπική – ο ορίζοντας γεγονότων της απέχει μόλις 6 χιλιόμετρα, περίπου το ένα χιλιοστό του μεγέθους της Γης. Η δε μαύρη τρύπα μπλοκάρει περίπου το ένα δέκατο δισεκατομμυριοστό του φωτός του Ήλιου.

 

Η βαρύτητα της μαύρης τρύπας κάμπτει  κάποιο φως που περνά κοντά της, αλλά όχι τόσο πολύ. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται βαρυτικός φακός. Αυτό μπορεί να κάνει τη ζωή πιο ενδιαφέρουσα σε συστήματα με πιο μαζικές μαύρες τρύπες. Στην περίπτωση μας είναι ελάχιστη η επίδραση του.