π
Νέα ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων επιβεβαιώνει την ύπαρξη των «ενδιάμεσων» μαύρων τρυπών
Αλέξης Δεληβοριάς, Διδάκτορας Φυσικής
Στις 21 Μαΐου 2019, οι ανιχνευτές Advanced LIGO και Advanced Virgo ανίχνευσαν την έλευση βαρυτικών κυμάτων προερχόμενων από την σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών με μάζα 66 και 85 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ήλιου, ενώ η μαύρη τρύπα που προέκυψε από την συγχώνευσή τους υπολογίστηκε ότι περικλείει την μάζα 142 άστρων σαν τον Ήλιο. Πρόκειται για την πρώτη σαφή ανίχνευση μίας ενδιάμεσης μαύρης τρύπας, δηλαδή μίας μαύρης τρύπας με μάζα 100-100.000 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ήλιου. Η διαφορά των 8 ηλιακών μαζών που παρατηρείται μεταξύ των δύο μαύρων τρυπών που συγχωνεύθηκαν και της μαύρης τρύπας που προέκυψε από την συγχώνευσή τους μετατράπηκε σε ενέργεια και απελευθερώθηκε στο Διάστημα με την μορφή βαρυτικών κυμάτων. Τα ευρήματα της σχετικής έρευνας δημοσιεύθηκαν στις 2 Σεπτέμβριου σε δύο μελέτες στα επιστημονικά περιοδικά Physical Review Letters και The Astrophysical Journal Letters.
Ανάλογα με την μάζα τους, μπορούμε να ταξινομήσουμε τις μαύρες τρύπες σε δύο μεγάλες «οικογένειες». Στο ένα άκρο της κλίμακας των μαζών, οι αστρικές μαύρες τρύπες τυπικά δεν υπερβαίνουν τις 50 ηλιακές μάζες και αποτελούν το τελικό στάδιο της εξέλιξης των γιγάντιων άστρων, ο πυρήνας των οποίων υφίσταται μία καταστροφική και σχεδόν ακαριαία ενδόρρηξη, προτού οι εξωτερικές τους στοιβάδες εκτιναχθούν στο Διάστημα σε αδιανόητα βίαιες εκρήξεις σουπερνόβα. Οι γαλαξιακές μαύρες τρύπες, από την άλλη, θεωρείται ότι υπάρχουν στους πυρήνες των περισσότερων (αν όχι όλων) των γαλαξιών του Σύμπαντος και έχουν μάζα εκατομμύρια ακόμη και δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ήλιου. Ενώ, όμως, η προέλευση των πρώτων κατανοήθηκε σε βάθος, μέσα από την διεύρυνση των γνώσεών μας για την αστρική εξέλιξη, η προέλευση των δεύτερων παραμένει αβέβαιη. Σύμφωνα, όμως, με μία ιδέα που άρχισε να κερδίζει έδαφος τα τελευταία χρόνια, οι γαλαξιακές μαύρες τρύπες προέρχονται από έναν πληθυσμό μικρότερων μαύρων τρυπών, οι οποίες δεν είχαν, έως πρόσφατα τουλάχιστον, παρατηρηθεί. Αυτές οι ενδιάμεσες μαύρες τρύπες εικάζεται ότι έχουν μάζα 100-100.000 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ήλιου και παρόλο που τα τελευταία χρόνια ανακαλύφθηκαν αρκετές πιθανές υποψήφιες, δεν υπήρχε έως τώρα οριστική επιβεβαίωση της ύπαρξής τους.
«Περίεργα» μεγάλη, ωστόσο, είναι και η μάζα των δύο μαύρων τρυπών που συγχωνεύθηκαν, γεγονός που κάνει τους επιστήμονες να υποπτεύονται ότι η μεγαλύτερη από αυτές, πιθανώς μάλιστα και η μικρότερη, ίσως να μην σχηματίστηκαν μέσα από την κατάρρευση του πυρήνα ενός άστρου, στα τελευταία στάδια της ζωής του. Σύμφωνα με τα όσα γνωρίζουμε έως τώρα, ο μηχανισμός αυτός, δηλαδή η κατάρρευση του πυρήνα ενός άστρου, μπορεί να οδηγήσει στον σχηματισμό μίας μαύρης τρύπας με μάζα που δεν υπερβαίνει τις 65 ηλιακές μάζες, ενώ το «προγονικό» της άστρο υπολογίζεται ότι έχει μάζα που δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερη από τις 130 ηλιακές μάζες.
Ακόμη μεγαλύτερα άστρα, δηλαδή άστρα με μάζα της τάξης των 130–200 ηλιακών μαζών εικάζεται ότι εκρήγνυνται χωρίς να αφήνουν πίσω τους κανενός είδους αστρικό υπόλειμμα. Αυτό που συμβαίνει είναι το εξής: η θερμοκρασία στον πυρήνα τους αυξάνεται τόσο πολύ, ώστε υψηλότατης ενέργειας ακτινοβολία γ αρχίζει να μετατρέπεται σε ζεύγη σωματιδίων ύλης και αντιύλης, κυρίως ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την μείωση της πίεσης της ακτινοβολίας στο εσωτερικό του άστρου, γεγονός που εξαναγκάζει τον πυρήνα του, που εμπεριέχει μεγάλες ακόμη ποσότητες πυρηνικών «καυσίμων», να καταρρεύσει. Η συμπίεση του πυρήνα, όμως, οδηγεί σε μία εκρηκτική και εκτός ελέγχου θερμοπυρηνική σύντηξη, που σχεδόν ακαριαία «καίει» τα πάντα. Η ξαφνική και ακραία απελευθέρωση ενέργειας αναστρέφει την περαιτέρω κατάρρευση του πυρήνα και το άστρο εκρήγνυται σε μία θερμοπυρηνική έκρηξη αδιανόητης ισχύος, που κυριολεκτικά διαμελίζει το άστρο, χωρίς να αφήσει κανένα αστρικό «λείψανο», χωρίς δηλαδή να σχηματιστεί αστέρας νετρονίων ή μαύρη τρύπα.
Τέλος, άστρα με μάζα μεγαλύτερη των 200 περίπου ηλιακών μαζών θεωρείται ότι εντέλει καταρρέουν απευθείας σε μαύρες τρύπες με μάζα τουλάχιστον 120 ηλιακών μαζών. Αυτό, όμως, σημαίνει ότι ένα άστρο που καταρρέει δεν μπορεί να σχηματίσει μία μαύρη τρύπα με μάζα 65-120 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ήλιου. Ωστόσο, εμπεριέχοντας την μάζα 85 άστρων σαν τον Ήλιο, η βαρύτερη από τις δύο μαύρες τρύπες που συγχωνεύθηκαν είναι η πρώτη που ανιχνεύεται εντός αυτού του «απαγορευμένου» εύρους στην κλίμακα των μαζών. Επομένως, πώς σχηματίστηκε;
Μία πιθανότητα που εξετάζουν ο επιστήμονες στην δεύτερη από τις δύο δημοσιεύσεις τους είναι η επονομαζόμενη ιεραρχική συγχώνευση, κατά την οποία η βαρύτερη τουλάχιστον από τις μαύρες τρύπες που συγχωνεύθηκαν, σχηματίστηκε με την σειρά της κατά την συγχώνευση δύο άλλων, μικρότερων μαύρων τρυπών.
Συνοψίζοντας, επομένως, όπως αναφέρεται και στην σχετική ανακοίνωση, η παρατήρηση αυτή «επεκτείνει ακόμη περισσότερο τα όρια των γνώσεών μας για τον σχηματισμό των μαύρων τρυπών και προσφέρει νέους τρόπους μελέτης της βαρύτητας στις πιο ακραίες συνθήκες. Υποδεικνύει, ακόμη, την ύπαρξη ενός πληθυσμού συγχωνευόμενων μαύρων τρυπών μεγάλης μάζας, που ίσως ανακαλυφθεί σε μελλοντικές παρατηρήσεις […] (ενώ) θα μας βοηθήσει να διαλευκάνουμε ακόμη περισσότερο τις διαδικασίες που δημιουργούν τις μαύρες τρύπες και να σχηματίσουμε μία πιο καθαρή εικόνα για το περιβάλλον τους».
Φωτογραφία: καλλιτεχνική αναπαράσταση της ιεραρχικής συγχώνευσης μαύρων τρυπών [LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)].
Πηγές:
https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20200902
https://www.ligo.org/science/Publication-GW190521/index.php
Περισσότερες πληροφορίες:
https://www.eef.edu.gr/el/arthra/o-ainstain-epibebaionetai-ksana-ta-barytika-kymata-yparhoun/
π