Μαύρη τρύπα

Το 1783, ένας Άγγλος κληρικός ονόματι John Michell έγραψε ότι μπορεί να είναι δυνατόν κάτι να είναι τόσο βαρύ που θα έπρεπε να πηγαίνεις με την ταχύτητα του φωτός για να ξεφύγεις από τη βαρύτητά του. Η βαρύτητα γίνεται ισχυρότερη όσο κάτι γίνεται μεγαλύτερο ή πιο ογκώδες. Για να ξεφύγει ένα μικρό πράγμα, όπως ένας πύραυλος, από ένα μεγαλύτερο πράγμα, όπως η Γη, πρέπει να ξεφύγει από την έλξη της βαρύτητάς μας, αλλιώς θα πέσει πίσω. Η ταχύτητα με την οποία πρέπει να ταξιδέψει προς τα πάνω για να ξεφύγει από τη βαρύτητα της Γης ονομάζεται ταχύτητα διαφυγής. Οι μεγαλύτεροι πλανήτες (όπως ο Δίας) και τα αστέρια έχουν μεγαλύτερη μάζα και ισχυρότερη βαρύτητα από τη Γη. Επομένως, η ταχύτητα διαφυγής είναι πολύ μεγαλύτερη. Ο John Michell πίστευε ότι είναι δυνατόν κάτι να είναι τόσο μεγάλο ώστε η ταχύτητα διαφυγής να είναι ταχύτερη από την ταχύτητα του φωτός, οπότε ακόμη και το φως δεν θα μπορούσε να διαφύγει. Το 1796, ο Pierre-Simon Laplace προώθησε την ίδια ιδέα στην πρώτη και τη δεύτερη έκδοση του βιβλίου του Exposition du système du Monde (αφαιρέθηκε από μεταγενέστερες εκδόσεις).

Ορισμένοι επιστήμονες πίστευαν ότι ο Michell μπορεί να είχε δίκιο, αλλά άλλοι πίστευαν ότι το φως δεν είχε μάζα και δεν θα έλκονταν από τη βαρύτητα. Η θεωρία του ξεχάστηκε.

Το 1916 ο Άλμπερτ Αϊνστάιν έγραψε μια εξήγηση της βαρύτητας που ονομάστηκε γενική σχετικότητα.

• Η μάζα προκαλεί την κάμψη του χώρου (και του χωροχρόνου). Τα κινούμενα πράγματα "πέφτουν" ή ακολουθούν τις καμπύλες του χώρου. Αυτό είναι που ονομάζουμε βαρύτητα.
• Το φως ταξιδεύει πάντα με την ίδια ταχύτητα και επηρεάζεται από τη βαρύτητα. Αν φαίνεται να αλλάζει ταχύτητα, στην πραγματικότητα ταξιδεύει κατά μήκος μιας καμπύλης του χωροχρόνου.

Λίγους μήνες αργότερα, ενώ υπηρετούσε στον Πρώτο Παγκόσμιο Πόλεμο, ο Γερμανός φυσικός Karl Schwarzschild χρησιμοποίησε τις εξισώσεις του Αϊνστάιν για να δείξει ότι μια μαύρη τρύπα θα μπορούσε να υπάρχει. Το 1930, ο Subrahmanyan Chandrasekhar προέβλεψε ότι τα αστέρια βαρύτερα από τον ήλιο θα μπορούσαν να καταρρεύσουν όταν τους τελείωνε το υδρογόνο ή άλλα πυρηνικά καύσιμα για να καούν. Το 1939, ο Robert Oppenheimer και ο H. Snyder υπολόγισαν ότι ένα άστρο θα έπρεπε να έχει τουλάχιστον τριπλάσια μάζα από τον Ήλιο για να σχηματίσει μια μαύρη τρύπα. Το 1967, ο John Wheeler επινόησε για πρώτη φορά την ονομασία "μαύρη τρύπα". Πριν από αυτό, ονομάζονταν "σκοτεινά άστρα".

Το 1970, ο Stephen Hawking και ο Roger Penrose έδειξαν ότι οι μαύρες τρύπες πρέπει να υπάρχουν. Αν και οι μαύρες τρύπες είναι αόρατες (δεν μπορούν να φανούν), κάποια από την ύλη που πέφτει μέσα σε αυτές είναι πολύ φωτεινή.

Βαρυτική κατάρρευση

Η βαρυτική κατάρρευση τεράστιων (μεγάλης μάζας) άστρων προκαλεί μαύρες τρύπες "αστρικής μάζας". Ο σχηματισμός αστέρων στο πρώιμο σύμπαν μπορεί να είχε ως αποτέλεσμα την δημιουργία αστέρων πολύ μεγάλης μάζας, οι οποίοι κατά την κατάρρευση θα δημιουργούσαν μαύρες τρύπες με μάζα έως και ¹⁰³ ηλιακές μάζες. Αυτές οι μαύρες τρύπες μπορεί να είναι οι σπόροι των υπερμεγέθων μαύρων οπών που βρίσκονται στα κέντρα των περισσότερων γαλαξιών.

Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που απελευθερώνεται κατά τη βαρυτική κατάρρευση εκπέμπεται πολύ γρήγορα. Ένας μακρινός παρατηρητής βλέπει το υλικό να επιβραδύνεται και να σταματά ακριβώς πάνω από τον ορίζοντα γεγονότων, λόγω της βαρυτικής διαστολής του χρόνου. Το φως που εκπέμπεται λίγο πριν από τον ορίζοντα γεγονότων καθυστερεί άπειρο χρόνο. Έτσι, ο παρατηρητής δεν βλέπει ποτέ το σχηματισμό του ορίζοντα γεγονότων. Αντ' αυτού, το υλικό που καταρρέει φαίνεται να γίνεται όλο και πιο αμυδρό και όλο και περισσότερο μετατοπισμένο προς το ερυθρό, και τελικά να σβήνει.

Μαύρες τρύπες έχουν επίσης βρεθεί στη μέση σχεδόν κάθε γαλαξία του γνωστού σύμπαντος. Αυτές ονομάζονται υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες (SBH) και είναι οι μεγαλύτερες μαύρες τρύπες από όλες. Σχηματίστηκαν όταν το Σύμπαν ήταν πολύ νεαρό, και βοήθησαν επίσης να σχηματιστούν όλοι οι γαλαξίες.

Τα κβάζαρ πιστεύεται ότι τροφοδοτούνται από τη βαρύτητα που συγκεντρώνει υλικό σε SBHs στα κέντρα των μακρινών γαλαξιών. Το φως δεν μπορεί να διαφύγει από τις SBHs στο κέντρο των κβάζαρ, οπότε η ενέργεια που διαφεύγει γίνεται έξω από τον ορίζοντα γεγονότων από βαρυτικές τάσεις και τεράστιες τριβές στο εισερχόμενο υλικό.

Τεράστιες κεντρικές μάζες (¹⁰⁶ έως ¹⁰⁹ ηλιακές μάζες) έχουν μετρηθεί σε κβάζαρ^. Αρκετές δεκάδες κοντινοί μεγάλοι γαλαξίες, χωρίς ενδείξεις πυρήνα κβάζαρ, περιέχουν μια παρόμοια κεντρική μαύρη τρύπα στους πυρήνες τους. Ως εκ τούτου, θεωρείται ότι όλοι οι μεγάλοι γαλαξίες έχουν μία, αλλά μόνο ένα μικρό κλάσμα είναι ενεργό (με αρκετή συσσώρευση ώστε να τροφοδοτεί την ακτινοβολία) και έτσι εμφανίζονται ως κβάζαρ.

Στο κέντρο μιας μαύρης τρύπας, υπάρχει ένα βαρυτικό κέντρο που ονομάζεται ιδιομορφία. Είναι αδύνατο να δούμε μέσα σε αυτήν, επειδή η βαρύτητα εμποδίζει τη διαφυγή οποιουδήποτε φωτός. Γύρω από τη μικροσκοπική ιδιομορφία, υπάρχει μια μεγάλη περιοχή όπου απορροφάται και το φως που κανονικά θα περνούσε. Η άκρη αυτής της περιοχής ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων. Η περιοχή πέρα από τον ορίζοντα γεγονότων είναι η μαύρη τρύπα. Η βαρύτητα της μαύρης τρύπας εξασθενεί σε απόσταση. Ο ορίζοντας γεγονότων είναι το σημείο που βρίσκεται πιο μακριά από το κέντρο, όπου η βαρύτητα εξακολουθεί να είναι αρκετά ισχυρή ώστε να παγιδεύει το φως.

Έξω από τον ορίζοντα γεγονότων, το φως και η ύλη εξακολουθούν να έλκονται προς τη μαύρη τρύπα. Εάν μια μαύρη τρύπα περιβάλλεται από ύλη, η ύλη θα σχηματίσει έναν "δίσκο προσαύξησης" (προσαύξηση σημαίνει "συγκέντρωση") γύρω από τη μαύρη τρύπα. Ένας δίσκος συσσώρευσης μοιάζει με τους δακτυλίους του Κρόνου. Καθώς απορροφάται, η ύλη θερμαίνεται πολύ και εκτοξεύει ακτινοβολία ακτίνων Χ στο διάστημα. Σκεφτείτε το σαν το νερό που περιστρέφεται γύρω από την τρύπα πριν πέσει μέσα.

Οι περισσότερες μαύρες τρύπες είναι πολύ μακριά για να μπορέσουμε να δούμε τον δίσκο προσαύξησης και τον πίδακα. Ο μόνος τρόπος για να ξέρουμε ότι υπάρχει μια μαύρη τρύπα είναι να δούμε πώς συμπεριφέρονται τα αστέρια, το αέριο και το φως γύρω της. Με μια μαύρη τρύπα κοντά, ακόμη και αντικείμενα τόσο μεγάλα όσο ένα αστέρι κινούνται με διαφορετικό τρόπο, συνήθως ταχύτερα από ό,τι θα κινούνταν αν δεν υπήρχε η μαύρη τρύπα.

Δεδομένου ότι δεν μπορούμε να δούμε τις μαύρες τρύπες, πρέπει να ανιχνευθούν με άλλα μέσα. Όταν μια μαύρη τρύπα περνάει ανάμεσα από εμάς και μια πηγή φωτός, το φως κάμπτεται γύρω από τη μαύρη τρύπα δημιουργώντας μια κατοπτρική εικόνα. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται βαρυτικός φακός.

Η ακτινοβολία Hawking είναι ακτινοβολία μαύρου σώματος που εκπέμπεται από μαύρη τρύπα, λόγω κβαντικών φαινομένων κοντά στον ορίζοντα γεγονότων. Πήρε το όνομά της από τον φυσικό Στίβεν Χόκινγκ, ο οποίος έδωσε ένα θεωρητικό επιχείρημα για την ύπαρξή της το 1974.

Η ακτινοβολία Hawking μειώνει τη μάζα και την ενέργεια της μαύρης τρύπας και γι' αυτό είναι επίσης γνωστή ως εξάτμιση της μαύρης τρύπας. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας των εικονικών ζευγών σωματιδίων-αντισωματιδίων. Λόγω των κβαντικών διακυμάνσεων, αυτό συμβαίνει όταν το ένα από τα σωματίδια πέφτει μέσα και το άλλο φεύγει με την ενέργεια/μάζα. Εξαιτίας αυτού, οι μαύρες τρύπες που χάνουν περισσότερη μάζα από όση κερδίζουν με άλλα μέσα αναμένεται να συρρικνωθούν και τελικά να εξαφανιστούν. Οι μικροσκοπικές μαύρες τρύπες (ΜΜΤ) προβλέπεται να είναι μεγαλύτεροι καθαροί εκπομποί ακτινοβολίας από τις μεγαλύτερες μαύρες τρύπες και θα πρέπει να συρρικνώνονται και να διαλύονται ταχύτερα.