Τρεις νικητές μοιράστηκαν το φετινό βραβείο Νόμπελ Φυσικής για τις ανακαλύψεις τους σχετικά με ένα από τα πιο εξωτικά φαινόμενα στο σύμπαν, τις μαύρες τρύπες. «Το φετινό βραβείο αφορά στα πιο βαθιά μυστικά του σύμπαντος», είπε εισαγωγικά ο γενικός γραμματέας του σουηδικού ιδρύματος Νόμπελ ανακοινώνοντας τους νικητές, στις 6 Οκτωβρίου 2020. Στον Roger Penrose (γεν. 1931, Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, Ηνωμένο Βασίλειο) δόθηκε το 1/2 του χρηματικού ποσού του βραβείου για τις θεωρητικές του εργασίες οι οποίες έδειξαν ότι οι μαύρες τρύπες είναι άμεση συνέπεια της γενικής θεωρίας της σχετικότητας. Ο Reinhard Genzel (γεν. 1952, Ινστιτούτο Max Planck, Γερμανία και Πανεπιστήμιο Μπέρκλεϊ, ΗΠΑ) και η Andrea Ghez (γεν. 1965, Πανεπιστήμιο Καλιφόρνια, ΗΠΑ) μοιράζονται από ¼ του υπόλοιπου ποσού για τις αστρονομικές τους έρευνες με τις οποίες ανακάλυψαν ότι ένα αόρατο αντικείμενο, εξαιρετικά ισχυρής βαρύτητας, καθορίζει τις τροχιές των αστεριών στο κέντρο του Γαλαξία μας. Μια “μαύρη τρύπα” γιγάντιας μάζας είναι η μόνη εξήγηση. Το παρακάτω κείμενο, της Βασιλικής Ακαδημίας Επιστημών Σουηδίας, δίνει εκλαϊκευμένα το θεωρητικό -και ιστορικό- υπόβαθρο των ανακαλύψεων των τριών σπουδαίων επιστημόνων. Θόδωρος Κουτσουμπός
Ο Roger Penrose εφηύρε έξυπνες μαθηματικές μεθόδους για να εξερευνήσει τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Albert Einstein. Έδειξε ότι η θεωρία οδηγεί στο σχηματισμό μαύρων οπών, εκείνα τα τέρατα στο χρόνο και στο χώρο που αιχμαλωτίζουν ό,τι εισέρχεται μέσα τους. Τίποτα, ούτε καν φως, δεν μπορεί να ξεφύγει.
Ο Reinhard Genzel και η Andrea Ghez ηγούνται μιας ομάδας αστρονόμων που έχουν επικεντρώσει τις έρευνές τους σε μια περιοχή στο κέντρο του Γαλαξία από τις αρχές της δεκαετίας του 1990. Με αυξανόμενη ακρίβεια, έχουν χαρτογραφήσει τις τροχιές των πιο φωτεινών αστεριών που βρίσκονται πιο κοντά στο κέντρο. Και οι δύο ομάδες τους βρήκαν κάτι που είναι τόσο αόρατο όσο και ισχυρής βαρύτητας που αναγκάζει τα αστέρια να περιστρέφονται γύρω του. Αυτή η αόρατη μάζα αντιστοιχεί σε τέσσερα εκατομμύρια ηλιακές μάζες συμπιεσμένες σε μια περιοχή όχι μεγαλύτερη από το ηλιακό μας σύστημα. Τι είναι αυτό που κάνει τα αστέρια στην καρδιά του Γαλαξία να περιστρέφονται με εκπληκτικές ταχύτητες; Σύμφωνα με την τρέχουσα θεωρία της βαρύτητας, υπάρχει μόνο ένας υποψήφιος – μια μαύρη τρύπα γιγάντιας μάζας.
Μια σημαντική ανακάλυψη πέρα από τον Αϊνστάιν
Ούτε ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο πατέρας της γενικής σχετικότητας, δεν πίστευε ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν μαύρες τρύπες. Ωστόσο, δέκα χρόνια μετά το θάνατο του Αϊνστάιν, ο Βρετανός θεωρητικός Roger Penrose απέδειξε ότι οι μαύρες τρύπες μπορούν να σχηματιστούν και να περιγραφούν οι ιδιότητές τους. Στην καρδιά τους, οι μαύρες τρύπες κρύβουν μια ιδιομορφία (μοναδικότητα, singularity), ένα όριο στο οποίο όλοι οι γνωστοί νόμοιτης φύσης καταρρέουν.
Για να αποδείξει ότι ο σχηματισμός μαύρων οπών είναι μια σταθερή διαδικασία, ο Penrose χρειάστηκε να επεκτείνει τις μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη της θεωρίας της σχετικότητας – αντιμετωπίζοντας τα προβλήματα της θεωρίας με νέες μαθηματικές έννοιες. Το πρωτοποριακό άρθρο του Penrose δημοσιεύθηκε τον Ιανουάριο του 1965 και εξακολουθεί να θεωρείται ως η πιο σημαντική συμβολή στη γενική θεωρία της σχετικότητας μετά τον Αϊνστάιν.
Η βαρύτητα κρατεί το σύμπαν στη λαβή της
Οι μαύρες τρύπες είναι ίσως η πιο παράξενη συνέπεια της γενικής θεωρίας της σχετικότητας. Όταν ο Άλμπερτ Αϊνστάιν παρουσίασε τη θεωρία του τον Νοέμβριο του 1915, ανέτρεψε όλες τις προηγούμενες έννοιες του χώρου και του χρόνου. Η θεωρία παρείχε μια εντελώς νέα βάση για την κατανόηση της βαρύτητας, η οποία διαμορφώνει το σύμπαν στην μεγάλη κλίμακα. Από τότε, αυτή η θεωρία παρέχει τη βάση για όλες τις μελέτες του σύμπαντος, και έχει επίσης πρακτική χρήση σε ένα από τα πιο κοινά εργαλεία πλοήγησης, το GPS.
Η θεωρία του Αϊνστάιν περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο όλα και όλοι στο σύμπαν συγκρατούνται λόγω της βαρύτητας. Η βαρύτητα μάς κρατά στη Γη, κυβερνά τις τροχιές των πλανητών γύρω από τον Ήλιο και την τροχιά του Ήλιου γύρω από το κέντρο του Γαλαξία μας. Οδηγεί στη γέννηση των αστεριών από διαστρικά σύννεφα και τελικά στο θάνατό τους σε μια βαρυτική κατάρρευση. Η βαρύτητα δίνει σχήμα στο χώρο και επηρεάζει τη ροή του χρόνου. Μια βαριά μάζα κάμπτει χώρο και επιβραδύνει το χρόνο. Μια εξαιρετικά βαριά μάζα μπορεί ακόμη και να κόψει και να ενθυλακώσει ένα κομμάτι χώρου – σχηματίζοντας μια μαύρη τρύπα..
Η πρώτη θεωρητική περιγραφή αυτού που τώρα ονομάζουμε μαύρη τρύπα ήρθε λίγες εβδομάδες μετά τη δημοσίευση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας. Παρά τις εξαιρετικά περίπλοκες μαθηματικές εξισώσεις της θεωρίας, ο Γερμανός αστροφυσικός Karl Schwarzschild ήταν σε θέση να παράσχει στον Αϊνστάιν μια λύση που περιγράφει πώς οι βαριές μάζες μπορούν να κάμψουν χώρο και χρόνο.
Αργότερα μελέτες έδειξαν ότι μόλις σχηματιστεί μια μαύρη τρύπα, περιβάλλεται από έναν ορίζοντα γεγονότων που καλύπτει σαν πέπλο τη μάζα στο κέντρο του. Η μαύρη τρύπα παραμένει κρυμμένη για πάντα στον ορίζοντα γεγονότων. Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα, τόσο μεγαλύτερη είναι η μαύρη τρύπα και ο ορίζοντάς της. Για μια μάζα ισοδύναμη με τον Ήλιο μας, ο ορίζοντας γεγονότων έχει διάμετρο σχεδόν τριών χιλιομέτρων και, για μια μάζα όπως αυτή της Γης, η διάμετρος του είναι μόλις εννέα χιλιοστά.
Μια υπερτέλεια λύση
Η έννοια της «μαύρης τρύπας» έχει βρει νέο νόημα σε πολλές μορφές πολιτιστικής έκφρασης, αλλά για τους φυσικούς οι μαύρες τρύπες είναι το φυσικό τελικό σημείο της εξέλιξης των γιγαντιαίων αστεριών. Ο πρώτος υπολογισμός της δραματικής κατάρρευσης ενός τεράστιου αστεριού έγινε στα τέλη της δεκαετίας του 1930, από τον φυσικό Robert Oppenheimer, ο οποίος αργότερα ηγήθηκε του Προγράμματος Μανχάταν που κατασκεύασε την πρώτη ατομική βόμβα. Όταν γιγαντιαία αστέρια, βαρύτερα κατά πολλές φορές από τον Ήλιο, εξαντλούνται από καύσιμα, πρώτα εκρήγνυνται ως σουπερνόβα και στη συνέχεια καταρρέουν σε εξαιρετικά πυκνά απομεινάρια, τόσο βαριά που η βαρύτητά τους τραβά τα πάντα μέσα, ακόμη και φως.
Η ιδέα των «σκοτεινών αστεριών» εξετάστηκε ήδη από το τέλος του 18ου αιώνα, στα έργα του Βρετανού φιλόσοφου και μαθηματικού John Michell και του διάσημου Γάλλου επιστήμονα Pierre Simon de Laplace. Και οι δύο είχαν αιτιολογήσει ότι τα ουράνια σώματα θα μπορούσαν να γίνουν τόσο πυκνά που θα ήταν αόρατα – ούτε καν η ταχύτητα του φωτός θα ήταν αρκετά γρήγορη για να ξεφύγει από τη βαρύτητά τους.
Λίγο περισσότερο από έναν αιώνα αργότερα, όταν ο Άλμπερτ Αϊνστάιν δημοσίευσε τη γενική θεωρία της σχετικότητας, μερικές από τις λύσεις στις περίφημες δύσκολες εξισώσεις της θεωρίας περιέγραφαν τέτοια τόσο σκοτεινά αστέρια. Μέχρι τη δεκαετία του 1960, αυτές οι λύσεις θεωρούνταν καθαρά θεωρητικές εικασίες, που περιγράφουν ιδανικές καταστάσεις στις οποίες τα αστέρια και οι μαύρες τρύπες τους ήταν απόλυτα σφαιρικές και συμμετρικές. Αλλά τίποτα στο σύμπαν δεν είναι τέλειο και ο Roger Penrose ήταν ο πρώτος που βρήκε με επιτυχία μια ρεαλιστική λύση για όλες τις καταρρέουσες ύλες, με τα χρώματα, τα λακκάκια και τις φυσικές ατέλειές τους.
Το μυστήριο των κβάζαρ
Το ζήτημα της ύπαρξης μαύρων τρυπών επανεμφανίστηκε το 1963, με την ανακάλυψη των κβάζαρ, των φωτεινότερων αντικειμένων του σύμπαντος. Για σχεδόν μια δεκαετία, οι αστρονόμοι μπερδεύτηκαν από ραδιοφωνικές ακτινοβολίες από μυστηριώδεις πηγές, όπως το 3C273 στον αστερισμό της Παρθένου. Η ακτινοβολία στο ορατό φως αποκάλυψε τελικά την πραγματική της θέση – το 3C273 είναι τόσο μακριά που οι ακτίνες για να φθάσουν στη Γη ταξιδεύουν για πάνω από ένα δισεκατομμύριο χρόνια.
Εάν η πηγή φωτός βρίσκεται πολύ μακριά, πρέπει να έχει ένταση ίση με το φως αρκετών εκατοντάδων γαλαξιών. Του δόθηκε το όνομα «κβάζαρ». Οι αστρονόμοι σύντομα βρήκαν κβάζαρ που ήταν τόσο μακριά που είχαν εκπέμψει την ακτινοβολία τους στην πρώιμη παιδική ηλικία του σύμπαντος. Από πού προέρχεται αυτή η απίστευτη ακτινοβολία; Υπάρχει μόνο ένας τρόπος για να αποκτήσετε τόσο μεγάλη ενέργεια εντός του περιορισμένου όγκου ενός κβάζαρ – από την ύλη που πέφτει σε μια τεράστια μαύρη τρύπα.
Οι παγιδευμένες επιφάνειες λύνουν το αίνιγμα
Το αν οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να σχηματιστούν υπό ρεαλιστικές συνθήκες ήταν ένα ερώτημα που μπέρδευε τον Roger Penrose. Η απάντηση, όπως θυμήθηκε αργότερα, εμφανίστηκε το φθινόπωρο του 1964 κατά τη διάρκεια μιας βόλτας με έναν συνάδελφό του στο Λονδίνο, όπου ο Penrose ήταν καθηγητής μαθηματικών στο Birkbeck College. Όταν σταμάτησαν να μιλούν για μια στιγμή για να διασχίσουν μια διασταύρωση, μια ιδέα του πέρασε από το μυαλό. Αργότερα, το απόγευμα την ξανάφερε στη μνήμη του. Αυτή η ιδέα, την οποία ονόμαζε παγιδευμένες επιφάνειες, ήταν το κλειδί που ασυνείδητα έψαχνε, ένα κρίσιμο μαθηματικό εργαλείο που χρειαζόταν για να περιγράψει μια μαύρη τρύπα.
Μια παγιδευμένη επιφάνεια αναγκάζει όλες τις ακτίνες να στραφούν προς ένα κέντρο, ανεξάρτητα από το αν η επιφάνεια στρέφεται προς τα έξω ή προς τα μέσα. Χρησιμοποιώντας παγιδευμένες επιφάνειες, ο Penrose μπόρεσε να αποδείξει ότι μια μαύρη τρύπα κρύβει πάντα μια ιδιομορφία, ένα όριο όπου τελειώνει ο χρόνος και ο χώρος. Η πυκνότητά του είναι άπειρη και, μέχρι στιγμής, δεν υπάρχει θεωρία για το πώς να προσεγγίσουμε αυτό το παράξενο φαινόμενο της φυσικής.
Οι παγιδευμένες επιφάνειες έγιναν κεντρική ιδέα στην ολοκλήρωση της απόδειξης του Penrose για το θεώρημα της μοναδικότητας. Οι τοπολογικές μέθοδοι που εισήγαγε είναι τώρα πολύτιμες στη μελέτη του κυρτού σύμπαντός μας.
Ένας μονόδρομος μέχρι το τέλος του χρόνου
Μόλις η ύλη αρχίσει να καταρρέει και σχηματιστεί μια παγιδευμένη επιφάνεια, τίποτα δεν μπορεί να σταματήσει τη συνέχιση της κατάρρευσης. Δεν υπάρχει τρόπος να επιστρέψουμε, όπως στην ιστορία που αφηγήθηκε ο βραβευμένος με Νόμπελ φυσικός Subrahmanyan Chandrasekhar, από την παιδική του ηλικία στην Ινδία. Η ιστορία αφορά τις λιβελούλες και τις προνύμφες τους, που ζουν υπό το νερό. Όταν μια προνύμφη είναι έτοιμη να ξεδιπλώσει τα φτερά της, υπόσχεται ότι θα πει στους φίλους της πώς είναι η ζωή στην άλλη πλευρά της επιφάνειας του νερού. Αλλά μόλις η προνύμφη περάσει από την επιφάνεια και πετάξει ως λιβελούλη, δεν υπάρχει επιστροφή. Οι προνύμφες στο νερό δεν θα ακούσουν ποτέ την ιστορία της ζωής από την άλλη πλευρά.
Ομοίως, όλη η ύλη μπορεί να διασχίσει τον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας προς μία κατεύθυνση. Ο χρόνος στη συνέχεια αντικαθιστά το χώρο και όλα τα πιθανά μονοπάτια δείχνουν προς τα μέσα, η ροή του χρόνου μεταφέρει τα πάντα προς ένα αναπόφευκτο τέλος στην μοναδικότητα (εικόνα 2). Δεν θα νιώσετε τίποτα αν πέσετε μέσα από τον ορίζοντα γεγονότων μιας υπερμαζικής μαύρης τρύπας. Από έξω, κανείς δεν μπορεί να σας δει να πέφτετε και το ταξίδι σας προς τον ορίζοντα συνεχίζεται για πάντα. Δεν είναι δυνατό να κοιτάξετε μέσα σε μια μαύρη τρύπα σύμφωνα με τους νόμους της φυσικής. Οι μαύρες τρύπες κρύβουν όλα τα μυστικά τους πίσω από τους ορίζοντές τους.
Οι μαύρες τρύπες διέπουν τα μονοπάτια των αστεριών
Παρόλο που δεν μπορούμε να δούμε τη μαύρη τρύπα, είναι δυνατό να προσδιορίσουμε τις ιδιότητές της παρατηρώντας πώς η κολοσσιαία βαρύτητα κατευθύνει τις κινήσεις των γύρο της αστεριών.
Ο Reinhard Genzel και η Andrea Ghez καθοδηγούν τις ξεχωριστές ερευνητικές ομάδες τους που εξερευνούν το κέντρο του Γαλαξία μας. Ο Γαλαξίας μας διαμορφωμένος σαν ένας επίπεδος δίσκος διαμέτρου περίπου 100.000 ετών φωτός, αποτελείται από αέριο και σκόνη και μερικές εκατοντάδες δισεκατομμύρια αστέρια. Ένα από αυτά τα αστέρια είναι ο Ήλιος μας (σχήμα 3). Από το σύστημα αναφοράς μας στη Γη, τεράστια σύννεφα διαστρικού αερίου και σκόνης κρύβουν το μεγαλύτερο μέρος του ορατού φωτός που προέρχεται από το κέντρο του γαλαξία. Τα τηλεσκόπια υπέρυθρης ακτινοβολίας και η τεχνολογία ραδιοκυμάτων επέτρεψαν στους αστρονόμους να βλέπουν μέσα στο δίσκο του γαλαξία και να απεικονίζουν τα αστέρια στο κέντρο του.
Χρησιμοποιώντας τις τροχιές των αστεριών ως οδηγούς, ο Genzel και η Ghez παρήγαγαν τις πιο πειστικές ενδείξεις, ωστόσο, ότι υπάρχει ένα αόρατο αντικείμενο πολύ μεγάλης μάζας που κρύβεται εκεί. Μια μαύρη τρύπα είναι η μόνη δυνατή εξήγηση.
Όταν ένα τεράστιο αστέρι καταρρέει κάτω από τη δική του βαρύτητα, σχηματίζει μια μαύρη τρύπα που το βαρυτικό της πεδίο συλλαμβάνει ό,τι περνά από τον ορίζοντα των γεγονότων. Ούτε καν φως μπορεί να διαφύγει. Στον ορίζοντα των γεγονότων, ο χρόνος αντικαθιστά το χώρο και δείχνει μόνο προς τα εμπρός. Η ροή του χρόνου μεταφέρει τα πάντα προς μια μοναδικότητα πιο μακριά μέσα στη μαύρη τρύπα, όπου η πυκνότητα είναι άπειρη και ο χρόνος τελειώνει.
Ο κώνος φωτός δείχνει τις διαδρομές των ακτίνων φωτός προς τα εμπρός και προς τα πίσω στο χρόνο. Όταν η ύλη καταρρέει και σχηματίζει μια μαύρη τρύπα, οι κώνοι φωτός που διασχίζουν τον ορίζοντα της μαύρης τρύπας θα γυρίσουν προς τα μέσα, προς την μοναδικότητα. Ένας εξωτερικός παρατηρητής δεν θα δει ποτέ πραγματικά ότι οι ακτίνες του φωτός φτάνουν στον ορίζοντα του γεγονότος, απλώς τον ωθούν. Κανείς δεν μπορεί να δει περαιτέρω.
από τη λεζάντα της διατομής της μαύρης τρύπας
Εστιάζοντας στο κέντρο
Για περισσότερα από πενήντα χρόνια, οι φυσικοί υποπτεύονται ότι μπορεί να υπάρχει μια μαύρη τρύπα στο κέντρο του Γαλαξία. Από τότε που τα κβάζαρ ανακαλύφθηκαν, στις αρχές της δεκαετίας του 1960, οι φυσικοί θεώρησαν ότι θα μπορούσαν να βρεθούν μαύρες τρύπες τεράστιων μαζών μέσα στους περισσότερους μεγάλους γαλαξίες, συμπεριλαμβανομένου του Γαλαξία μας. Ωστόσο, κανείς μέχρι σήμερα δεν μπορεί να εξηγήσει πώς σχηματίστηκαν οι γαλαξίες και οι μαύρες τρύπες τους, από μάζες μερικών εκατομμυρίων έως και πολλών δισεκατομμυρίων ηλιακών μαζών.
Πριν από εκατό χρόνια, ο Αμερικανός αστρονόμος Harlow Shapley ήταν ο πρώτος που αναγνώρισε το κέντρο του Γαλαξία, προς την κατεύθυνση του αστερισμού του Τοξότη. Με μεταγενέστερες παρατηρήσεις οι αστρονόμοι βρήκαν μια ισχυρή πηγή ραδιοκυμάτων εκεί, στην οποία δόθηκε το όνομα Τοξότης A*. Προς το τέλος της δεκαετίας του 1960, κατέστη σαφές ότι ο Τοξότης A* καταλαμβάνει το κέντρο του Γαλαξία, γύρω από το οποίο διαγράφουν τις τροχιές τους όλα τα αστέρια του Γαλαξία.
Μόνο τη δεκαετία του 1990 μεγαλύτερα τηλεσκόπια και καλύτερος εξοπλισμός επέτρεψαν συστηματικότερες μελέτες του Τοξότη Α*. Ο Reinhard Genzel και η Andrea Ghez ξεκίνησαν για να προσπαθήσουν να δουν μέσα από τα σύννεφα της σκόνης στην καρδιά του Γαλαξία μας. Μαζί με τις ερευνητικές τους ομάδες ανέπτυξαν και βελτίωσαν τις τεχνικές τους, φτιάχνοντας μοναδικά όργανα και πραγματοποιώντας μακροχρόνια έρευνα.
Μόνο τα μεγαλύτερα τηλεσκόπια του κόσμου επαρκούν για να δουν τα μακρινά αστέρια – το όσο μεγαλύτερο τόσο το καλύτερο ισχύει απολύτως στην αστρονομία. Ο Γερμανός αστρονόμος Reinhard Genzel και η ομάδα του χρησιμοποίησαν αρχικά το NTT, το Νέας Τεχνολογίας Τηλεσκόπιο στο όρος La Silla στη Χιλή. Τελικά μετέφεραν τις παρατηρήσεις τους στην εγκατάσταση Very Large Telescope, VLT, στο όρος Paranal (επίσης στη Χιλή). Με
τέσσερα γιγαντιαία τηλεσκόπια δύο φορές το μέγεθος του NTT, το VLT έχει τους μεγαλύτερους μονολιθικούς καθρέφτες στον κόσμο, τον καθένα με διάμετρο μεγαλύτερη των 8 μέτρων.
Στις ΗΠΑ, η Andrea Ghez και η ερευνητική της ομάδα χρησιμοποιούν το Παρατηρητήριο Keck, που βρίσκεται στο όρος Mauna Kea της Χαβάης. Τα κάτοπτρά του έχουν διάμετρο περίπου 10 μέτρα και είναι σήμερα από τα μεγαλύτερα στον κόσμο. Κάθε κάτοπτρο είναι σαν μια κυψελίδα, αποτελούμενη από 36 εξαγωνικά τμήματα που μπορούν να ελεγχθούν ξεχωριστά για καλύτερη εστίαση του φωτός του αστεριού.
Τα αστέρια δείχνουν τον δρόμο
Όσο μεγάλα κι αν είναι τα τηλεσκόπια, υπάρχει πάντα ένα όριο στη λεπτομέρεια που μπορούν να αναλύσουν επειδή ζούμε στον πυθμένα μιας ατμοσφαιρικής θάλασσας με βάθος σχεδόν 100 χιλιομέτρων. Μεγάλες φυσαλίδες αέρα πάνω από το τηλεσκόπιο, θερμότερες ή ψυχρότερες από το περιβάλλον τους, δρουν σαν φακοί και διαθλούν το φως στη διαδρομή προς το κάτοπτρο του τηλεσκοπίου, παραμορφώνοντας τα φωτεινά κύματα. Αυτός είναι ο λόγος που τα αστέρια τρεμοπαίζουν και επίσης γιατί οι εικόνες τους είναι θολές.
Η ανάπτυξη της προσαρμοστικής οπτικής ήταν κρίσιμη για τη βελτίωση των παρατηρήσεων. Τα τηλεσκόπια είναι πλέον εξοπλισμένα με έναν επιπλέον λεπτό καθρέφτη που αντισταθμίζει το τρεμόπαιγμα που προκαλεί ο αέρας και διορθώνει την παραμορφωμένη εικόνα.
Για σχεδόν τριάντα χρόνια, ο Reinhard Genzel και η Andrea Ghez παρακολουθούσαν τα αστέρια τους στη μακρινή αστρική τους κίνηση στο κέντρο του γαλαξία μας. Συνεχίζουν να αναπτύσσουν και να βελτιώνουν την τεχνολογία, με πιο ευαίσθητους ψηφιακούς αισθητήρες φωτός και καλύτερα προσαρμοστικά οπτικά, έτσι ώστε η ανάλυση εικόνας να έχει βελτιωθεί περισσότερο από χίλιες φορές. Τώρα είναι σε θέση να προσδιορίσουν με μεγαλύτερη ακρίβεια τις θέσεις των αστεριών, ακολουθώντας τα από νύχτα σε νύχτα.
Οι ερευνητές παρακολουθούν περίπου τριάντα από τα πιο φωτεινά αστέρια του συνόλου. Τα αστέρια κινούνται πιο γρήγορα μέσα σε μια ακτίνα μήκους ενός μηνός φωτός από το κέντρο, μέσα στο οποίο εκτελούν έναν πολυάσχολο χορό όπως αυτό ενός σμήνους μελισσών. Τα αστέρια που βρίσκονται έξω από αυτήν την περιοχή, από την άλλη πλευρά, ακολουθούν τις ελλειπτικές τροχιές τους με πιο ομαλό τρόπο.
Ένα αστέρι, που ονομάζεται S2 ή S-O2, ολοκληρώνει μια τροχιά γύρο από το κέντρο του γαλαξία σε λιγότερο από 16 χρόνια. Αυτός είναι ένας εξαιρετικά σύντομος χρόνος, έτσι οι αστρονόμοι μπόρεσαν να χαρτογραφήσουν ολόκληρη την τροχιά του. Μπορούμε να το συγκρίνουμε με τον Ήλιο, ο οποίος χρειάζεται περισσότερα από 200 εκατομμύρια χρόνια για να ολοκληρώσει έναν κύκλο γύρω από το κέντρο του Γαλαξία. Οι δεινόσαυροι ακόμη περπατούσαν πάνω στη Γη όταν ξεκίνησε ο τρέχων κύκλος.
Αστέρια πιο κοντά στο κέντρο του Γαλαξία μας
Οι τροχιές των αστεριών είναι οι πιο πειστικές ενδείξεις ότι μια πολύ μεγάλης μάζας μαύρη τρύπα κρύβεται στον Τοξότη A*. Αυτή η μαύρη τρύπα εκτιμάται ότι είναι περίπου 4 εκατομμύρια ηλιακές μάζες, συμπιεσμένες σε μια περιοχή όχι μεγαλύτερη από το ηλιακό μας σύστημα.
Μερικές από τις μετρούμενες τροχιές των αστεριών κοντά στον Τοξότη Α* στο κέντρο του Γαλαξία.
Οι αστρονόμοι μπόρεσαν να χαρτογραφήσουν μια ολόκληρη τροχιά [περιόδου] κάτω των 16 ετών για ένα από τα αστέρια, S2 (ή S-O2). Το πλησιέστερο σημείο του Τοξότη Α* ήταν 17 ώρες φωτός (πάνω από 1000 εκατομμύρια χιλιόμετρα).
Η θεωρία και οι παρατηρήσεις ακολουθούν η μια την άλλη
Η συμφωνία μεταξύ των μετρήσεων των δύο ομάδων ήταν εξαιρετική, οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι η μαύρη τρύπα στο κέντρο του γαλαξία μας πρέπει να είναι ισοδύναμη με περίπου 4 εκατομμύρια μάζες του Ήλιου μας, συμπιεσμένες σε μια περιοχή με το μέγεθος του ηλιακού μας συστήματος.
Σύντομα θα ρίξουμε μια άμεση ματιά στην [ραδιοπηγή] τουΤοξότη A*. Αυτό είναι το επόμενο στη λίστα, επειδή, λίγο πριν από ένα χρόνο, το δίκτυο αστρονομίας του Τηλεσκοπίου Ορίζοντα Γεγονότων πέτυχε να απεικονίσει το πλησιέστερο περιβάλλον μιας υπερ-μαζικής μαύρης τρύπας. Ο πιο απόμακρος γαλαξίας που είναι γνωστός ως Messier 87 (M87), 55 εκατομμύρια έτη φωτός από εμάς, είναι ένα πιο μαύρο από το μαύρο μάτι που περιβάλλεται από ένα δαχτυλίδι φωτιάς.
Ο μαύρος πυρήνας του M87 είναι γιγαντιαίος, με βαρύτητα πάνω από χίλιες φορές από του Τοξότη Α*. Οι συγκρουόμενες μαύρες τρύπες που προκάλεσαν τα βαρυτικά κύματα που πρόσφατα ανακαλύφθηκαν ήταν σημαντικά ελαφρύτερες. Όπως οι μαύρες τρύπες, τα κύματα βαρύτητας υπήρχαν μόνο ως υπολογισμοί στη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, προτού συλληφθούν για πρώτη φορά το φθινόπωρο του 2015, από τον ανιχνευτή LIGO των ΗΠΑ (βραβείο Νόμπελ Φυσικής, 2017).
Αυτό που δεν ξέρουμε
Ο Roger Penrose έδειξε ότι οι μαύρες τρύπες είναι άμεση συνέπεια της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, αλλά, στην απείρως ισχυρότερη βαρύτητα της ιδιομορφίας αυτή η θεωρία παύει να ισχύει. Διεξάγεται εντατική εργασία στον τομέα της θεωρητικής φυσικής για τη δημιουργία μιας νέας θεωρίας της κβαντικής βαρύτητας. Αυτό πρέπει να ενώσει τους δύο πυλώνες της φυσικής, τη θεωρία της σχετικότητας και την κβαντική μηχανική, που συναντώνται στο ακραίο εσωτερικό των μαύρων τρυπών.
Ταυτόχρονα, οι παρατηρήσεις πλησιάζουν τις μαύρες τρύπες. Το πρωτοποριακό έργο των Reinhard Genzel και Andrea Ghez ανοίγει το δρόμο σε νέες γενιές ακριβών δοκιμών της γενικής θεωρίας της σχετικότητας και των πιο περίεργων προβλέψεών της. Πιθανότατα, αυτές οι μετρήσεις θα είναι επίσης σε θέση να παράσχουν ενδείξεις για νέες θεωρητικές πληροφορίες. Το σύμπαν έχει πολλά μυστικά και εκπλήξεις που πρέπει να ανακαλυφθούν.
Μετάφραση Θόδωρος Κουτσουμπός
Illustrations: ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
