Μέτρηση του σπιν μιας μαύρης τρύπας

Μια μαύρη τρύπα, τουλάχιστον κατά την τρέχουσα αντίληψή μας, χαρακτηρίζεται από το ότι δεν έχει “μαλλιά”, δηλαδή, είναι τόσο απλή που μπορεί να περιγραφεί πλήρως με τρεις μόνο παραμέτρους, τη μάζα, το σπιν και το ηλεκτρικό φορτίο. Παρόλο που μπορεί να έχει σχηματιστεί από ένα σύνθετο μείγμα ύλης και ενέργειας, όλες οι άλλες λεπτομέρειες χάνονται όταν σχηματίζεται η μαύρη τρύπα. Το ισχυρό βαρυτικό πεδίο της δημιουργεί γύρω της μια επιφάνεια, έναν «ορίζοντα γεγονότων» και οτιδήποτε διασχίζει αυτόν τον ορίζοντα (ακόμη και το φως) δεν μπορεί να ξεφύγει. Ως εκ τούτου, η μοναδικότητα (singularity) εμφανίζεται μαύρη και τυχόν λεπτομέρειες σχετικά με το υλικό που εισήλθε μέσα της χάνεται και συγχωνεύονται στις τρεις γνωστές παραμέτρους.
 

Η εντύπωση ενός καλλιτέχνη για μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα που περιβάλλεται από έναν δίσκο προσαύξησης. Οι αστρονόμοι έχουν χρησιμοποιήσει φασματοσκοπία ακτίνων Χ για να μετρήσουν την ιδιοπεριστροφή μιας μαύρης τρύπας που έχει μάζα σαν του Ήλιου στον Γαλαξία μας

Οι αστρονόμοι είναι σε θέση να μετρήσουν τις μάζες των μαύρων οπών με σχετικά απλό τρόπο: βλέποντας πώς η τριγύρω ύλη κινείται στην περιοχή τους (συμπεριλαμβανομένων κι άλλων μαύρων οπών), επηρεασμένη από το βαρυτικό τους πεδίο. Τα φορτία των μαύρων οπών πιστεύεται ότι είναι ασήμαντα, καθώς τα θετικά και τα αρνητικά φορτία που εισέρχονται είναι συνήθως συγκρίσιμα σε αριθμό. Το σπιν των μαύρων οπών είναι όμως πιο δύσκολο να προσδιοριστεί και αμφότερα βασίζονται στην ερμηνεία των εκπομπών ακτίνων Χ από την καυτή εσωτερική άκρη του δίσκου προσαύξησης γύρω από τη μαύρη τρύπα. Μία μέθοδος μοντελοποιεί το σχήμα του φάσματος των ακτίνων Χ και βασίζεται σε καλές εκτιμήσεις της μάζας, της απόστασης και της γωνίας θέασης. Τα άλλα μοντέλα του φάσματος των ακτίνων Χ, συμπεριλαμβάνουν τις παρατηρούμενες ατομικές γραμμές εκπομπών, που συχνά παρατηρούνται στην αντανάκλαση από το καυτό αέριο. Δεν εξαρτάται από τη γνώση πολλών άλλων παραμέτρων. Οι δύο αυτές μέθοδοι απέδωσαν γενικά συγκρίσιμα αποτελέσματα.

 

Ο αστρονόμος του Κέντρου Αστρονομίας του Harvard, James Steiner και οι συνεργάτες του, ανέλυσαν επτά σύνολα φασμάτων, που ελήφθησαν από το διαστημικό Παρατηρητήριο ακτίνων-Χ Rossi Timing Explorer, από μια έκρηξη από μια αστρική μαύρη τρύπα στον Γαλαξία μας που ονομάζεται 4U1543-47. Προηγούμενες προσπάθειες για την εκτίμηση της ιδιοπεριστροφής spin του αντικειμένου χρησιμοποιώντας τη μέθοδο συνεχούς φάσματος οδήγησαν σε διαφωνίες μεταξύ των επιστημονικών δημοσιεύσεων, που ήταν σημαντικά μεγαλύτερο από τις τυπικές αβεβαιότητες (οι δημοσιεύσεις υποθέτουν ότι είναι η μαύρη τρύπα είναι  9,4 ηλιακών μαζών και σε απόσταση 24,7 χιλιάδων ετών φωτός). Χρησιμοποιώντας προσεκτική επανατοποθέτηση των φασμάτων και ενημερωμένους αλγόριθμους μοντελοποίησης, οι επιστήμονες αναφέρουν μια ενδιάμεση τιμή spin από ότι έδωσαν οι προηγούμενες μετρήσεις με ένα επίπεδο εμπιστοσύνης 90%. Δεδομένου ότι έχουν μετρηθεί μόνο μερικές δεκάδες spin μαύρων οπών, το νέο αποτέλεσμα είναι μια σημαντική προσθήκη. 

Πολλοί φυσικοί για δεκαετίες – μεταξύ των οποίων και ο Hawking (αρχικά) – πίστευαν ότι αν πέσει κάτι μέσα σε μια μαύρη τρύπα, η πληροφορία που μεταφέρει το αντικείμενο χάνεται και δεν επιστρέφει ποτέ. Όπως ξέρουμε οι μόνες μετρήσιμες παράμετροι μιας μαύρης τρύπας είναι η μάζα, η στροφορμή και το φορτίο της. Οι φυσικοί έλεγαν πως ό,τι κι αν ρίξουμε μέσα της, χάνουμε όλες του τις πληροφορίες. Έτσι βγήκε και το ρητό (που αποδίδεται στον Σοβιετικό φυσικό Yakov Borisovich Zel’dovich) ότι οι μαύρες τρύπες δεν έχουν μαλλιά – εννοώντας ότι έχουν χάσει όλες τους τις πληροφορίες, εκτός από τις τρεις παραπάνω ιδιότητες.

Ο Hawking μάλιστα πριν 40 τόσα χρόνια έβαλε ένα στοίχημα με άλλους φυσικούς ότι είναι αδύνατο να διαρρεύσουν πληροφορίες από μια μαύρη τρύπα. Όποιος έχανε στο στοίχημα θα έδινε στον άλλον μια εγκυκλοπαίδεια που, σε αντίθεση με τις μαύρες τρύπες, επιτρέπει την άντληση πληροφοριών.
 

Οι περισσότεροι φυσικοί ήθελαν να πιστεύουν πως η πληροφορία δε χάνεται ποτέ, γιατί έτσι ο κόσμος μας γινόταν ασφαλής και προβλέψιμος. Για παράδειγμα οι φυσικοί των χορδών επέμεναν ότι οι πληροφορίες δεν μπορούσαν να χαθούν και στοιχημάτιζαν ότι τελικά θα μάθουμε πού πηγαίνουν οι πληροφορίες που χάνονται.

 

Τελικά, τον Ιούλιο του 2004, σε μια αναπάντεχη μεταστροφή του ο Hawking ανακοίνωσε ότι είχε κάνει λάθος για το πρόβλημα της πληροφορίας.  Επαναλαμβάνοντας κάποιους παλιότερους υπολογισμούς του, ο Χόκινγκ κατέληξε στο συμπέρασμα ότι αν ένα αντικείμενο, για παράδειγμα ένα βιβλίο, πέσει σε μια μαύρη τρύπα, μπορεί να διαταράξει το πεδίο ακτινοβολίας της, με αποτέλεσμα η πληροφορία να διαρρεύσει ξανά στο σύμπαν. Σε αυτή την περίπτωση, οι πληροφορίες που περιείχε το βιβλίο θα κωδικοποιούνταν στην ακτινοβολία που εκπέμπει αργά-αργά η μαύρη τρύπα, αλλά σε συγκεχυμένη μορφή. Η παραδοχή του οφειλόταν σε υπολογισμούς στηριγμένους στη θεωρία υπερχορδών, που δέχεται ότι υπό προϋποθέσεις μπορεί η πληροφορία να διαρρεύσει από το εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας.