Mελανές Οπές, το Τελευταίο Στάδιο των Αστέρων

May 23, 2018

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

Α. Εισαγωγή – Σχετικότητα
Β. Ο Θάνατος των Αστεριών
Γ. Βαρυτική Κατάρρευση
Δ. Καμπυλωμένος Χωρόχρονος – Βαρυτικά Κύματα
Ε. Οι Μελανές Οπές Schwartzschild
ΣΤ. Περιστροφή Μελανών Οπών
Ζ. Υπερμεγέθεις Οπές
Η. Μικρές Οπές
Θ. Πτώση Σώματος μέσα σε Μελανή Οπή
Ι. Ακτινοβολία Hawking
ΙΑ. Θερμοδυναμική των Μελανών Οπών
ΙΒ. Οι Αρχέγονες Μελανές Οπές
ΙΓ. Παρατηρησιακά Δεδομένα
ΙΔ. Παράρτημα: Ανασκόπηση – Καταληκτικά Σημεία
ΙΕ. Μια Διδακτική Προσέγγιση
ΙΣΤ. Επίλογος
ΙΖ. Βιβλιογραφία

Α. ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Ο όρος μελανή οπή είναι σχετικά πρόσφατος· επινοήθηκε το 1969 από τον Αμερικανό φυσικό John Wheeler που θέλησε να περιγράψει με γλαφυρό τρόπο μια παλαιότερη ιδέα· η ιδέα αυτή ανάγεται σε μια εποχή πριν διακόσια τουλάχιστον χρόνια, στα τέλη του 18ου αιώνα. Στην εποχή εκείνη υπήρχαν δύο θεωρίες για τη φύση του φωτός: κατά την πρώτη το φως αποτελείται από κύματα ενώ κατά την δεύτερη, που την υποστήριξε και ο Νεύτωνας, το φως αποτελείται από σωματίδια. Σήμερα γνωρίζουμε ότι, με κάποια έννοια, και οι δύο θεωρίες είναι στην πραγμα- τικότητα σωστές, επειδή σύμφωνα με το δυϊσμό κυμάτων – σωματιδίων της κβαντικής μηχανικής το φως μπορεί να θεωρηθεί και ως κύμα και ως σωματίδιο. Αν θεωρήσουμε λοιπόν ότι το φως αποτελείται από σωματίδια, είναι λογικό να περιμένουμε ότι η βαρύτητα επιδρά πάνω τους όπως επιδρά και πάνω στα μήλα, τις πέτρες και τους πλανήτες. Στην αρχή οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι η επίδραση της βαρύτητας δεν θα μπορούσε να επιβραδύνει ή να επιταχύνει την κίνηση των σωματιδίων του φωτός αφού, όπως νόμιζαν, το φως διαδίδεται πάντα με άπειρη ταχύτητα. Η ανακάλυψη όμως του Roemer ότι το φως διαδίδεται με πεπερασμένη ταχύτητα, σήμαινε ότι ίσως η επίδραση της βαρύτητας μπορούσε να έχει κάποια αποτελέσματα στην κίνηση αυτών των σωματιδίων.
Την υπόθεση αυτή την ανέπτυξε στα τέλη του 18ου αιώνα ένας καθηγητής του Πανεπιστημίου του Cambridge, o John Michell. Σε μια εργασία του, που δημοσιεύτηκε το 1783, υποστήριξε ότι αν ένα άστρο έχει αρκετή μάζα και είναι αρκετά συμπαγές, η επίδραση της βαρύτητας του μπορεί να αναγκάσει όλα τα σωματίδια του φωτός που εκπέμπονται από την επιφάνεια του να επιστρέψουν σε αυτήν πριν κατορθώσουν να απομακρυνθούν πολύ. Άρα, το φως που ακτινοβολεί αυτό το άστρο δεν μπορεί να διαφύγει τελικά στο διάστημα. Ο Michell υπέθεσε ότι ίσως υπάρχουν στο Σύμπαν πάμπολλα παρόμοια αντικείμενα. Αν και δεν θα μπορούσαμε να τα δούμε, αφού το φως τους δεν θα έφτανε ως εμάς, θα μπορούσαμε όμως να αισθανθούμε τη βαρυτική επίδραση τους. Τα αντικείμενα αυτά τα ονομάζουμε σήμερα «μελανές οπές», επειδή μοιάζουν με μαύρα κενά μέσα στον διαστημικό χώρο. Παρόμοια υπόθεση διατύπωσε λίγα χρόνια αργότερα και ο Laplace· είναι μάλιστα ενδιαφέρον το ότι την περιέλαβε μόνο στην πρώτη και την δεύτερη έκδοση του βιβλίου του Το σύστημα του Κόσμου, αλλά όχι και στις επόμενες· ίσως αποφάσισε ότι η υπόθεση αυτή δεν έχει κάποια φυσική σημασία. (Ίσως επίσης επηρεάστηκε από το ότι στις αρχές του 19ου αιώνα, η σωματιδιακή θεωρία του φωτός υποχώρησε προς όφελος της κυματικής θεωρίας, που φαινόταν ικανή να εξηγήσει όλα τα ανάλογα φαινόμενα. Σύμφωνα όμως με την κυματική θεωρία δεν ήταν σαφές αν τελικά η βαρύτητα επιδρά κατά κάποιο τρόπο στο φως ή όχι).
Στην πραγματικότητα, δεν είναι συνεπές να θεωρούμε ότι τα σωματίδια του φωτός συμπεριφέρονται όπως τα σώματα της νευτώνειας θεωρίας της βαρύτητας, γιατί γνωρίζουμε ότι η ταχύτητα του φωτός είναι πάντοτε σταθερή. (Αντίθετα, σύμφωνα με τη νευτώνεια θεωρία η ταχύτητα των σωμάτων μεταβάλλεται. Η βαρύτητα μπορεί να επιταχύνει ή να επιβραδύνει την κίνηση τους. Ένα σωματίδιο φωτός, όμως, ένα φωτόνιο, πρέπει να κινείται πάντα με σταθερή ταχύτητα.
Πώς λοιπόν επιδρά η βαρύτητα στο φως;) Για πολλά χρόνια δεν υπήρχε μία συνεπής θεωρία για τη σχέση βαρύτητας και φωτός, μέχρις ότου, το 1915, ο Einstein πρότεινε τη γενική θεωρία της σχετικότητας. Χρειάστηκαν όμως πολλά χρόνια για να κατανοηθούν τα αποτελέσματα της εφαρμογής αυτής της θεωρίας στην περίπτωση των άστρων με πολύ μεγάλη μάζα.

Για να κατανοήσουμε πώς θα μπορούσε να σχηματιστεί μια μελανή οπή χρειάζεται πρώτα να καταλάβουμε τον «κύκλο ζωής» ενός άστρου. Ένα άστρο σχηματίζεται όταν μια μεγάλη ποσότητα αέριας ύλης (κυρίως υδρογόνου) αρχίζει να καταρρέει εξ’ αιτίας της ίδιας της βαρυτικής έλξης της. Καθώς ο όγκος του αερίου συστέλλεται, τα άτομα του συγκρούονται μεταξύ τους όλο και συχνότερα με όλο και μεγαλύτερες ταχύτητες· έτσι το αέριο θερμαίνεται όλο και περισσότερο. Κάποτε γίνεται τόσο θερμό ώστε η μεγάλη ορμή της σύγκρουσης των ατόμων του υδρογόνου τα αναγκάζει να συγχωνεύονται μεταξύ τους και να σχηματίζουν άτομα ηλίου. Με αυτή τη διαδικασία συγχώνευσης (που ονομάζεται πυρηνική αντίδραση σύντηξης, επειδή περιλαμβάνει τη συνένωση πυρήνων υδρογόνου σε υψηλή θερμοκρασία) απελευθερώνεται και άλλη θερμότητα· η πρόσθετη αυτή θερμότητα είναι ακριβώς η αιτία που κάνει τα άστρα να φωτοβολούν. Αυξάνει επίσης την πίεση του αερίου μέχρι να εξισορροπηθεί η βαρυτική έλξη, και έτσι το άστρο παύει να συστέλλεται. Μοιάζει κάπως με ένα μπαλόνι: υπάρχει μια ισορροπία μεταξύ της πίεσης του αέρα, που αναγκάζει το μπαλόνι να διασταλλεί, και της τάσης του ελαστικού, που το αναγκάζει να συσταλλεί. Τα άστρα παραμένουν σε αυτή τη σταθερή κατάσταση για πολύ καιρό, με την πίεση από τη θερμότητα των πυρηνικών αντιδράσεων σύντηξης να εξισορροπεί την πίεση της βαρυτικής έλξης. Κάποτε όμως τα πυρηνικά καύσιμα του άστρου εξαντλούνται· φαίνεται μάλιστα αρκετά παράξενο το γεγονός ότι όσο περισσότερα είναι τα καύσιμα τόσο ταχύτερα εξαντλούνται. Αυτό οφείλεται στο ότι όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα ενός άστρου τόσο μεγαλύτερη πρέπει να γίνει η θερμοκρασία του για να εξισορροπηθεί η βαρυτική έλξη· και όσο μεγαλύτερη γίνεται η θερμοκρασία του τόσο ταχύτερα «καίγονται», δηλαδή συντήκονται, τα καύσιμα του. Ο Ήλιος μας έχει αρκετά καύσιμα για άλλα πέντε δισεκατομμύρια χρόνια περίπου. Άλλα άστρα όμως με μεγαλύτερη μάζα μπορεί να εξαντλήσουν τα καύσιμα τους σε λιγότερο χρόνο, ακόμη και σε εκατό εκατομμύρια χρόνια. Όταν ένα άστρο «μείνει» από καύσιμα, αρχίζει να ψύχεται και επειδή ψύχεται αρχίζει να συστέλλεται. Το τι μπορεί να συμβεί μετά έγινε κατανοητό μόνο στα τέλη της δεκαετίας του 1920.
Το 1928 ένας Ινδός φοιτητής, ο Sabrahmanyan Chandrasekhar έφυγε από τη χώρα του για να σπουδάσει στην Αγγλία, στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, όπου καθηγητής ήταν ο αστρονόμος Sir Arthur Eddington, αυθεντία στη γενική θεωρία της σχετικότητας. (Κάποτε, στις αρχές της δεκαετίας του 1920, ένας δημοσιογράφος ρώτησε τον Eddington αν αληθεύει ότι, όπως είχε ακούσει, υπήρχαν μόνον τρεις άνθρωποι στον κόσμο που καταλάβαιναν τη γενική θεωρία της σχετικότητας. Ο Eddington έμεινε για μια στιγμή σιωπηλός, και μετά απάντησε: «Προσπαθώ να σκεφτώ ποιός είναι ο τρίτος»!). Στη διάρκεια του ταξιδιού του από την Ινδία, ο Chandrasekhar βρήκε πόσο μεγάλο μπορεί να είναι ένα άστρο που, αν και έχει εξαντλήσει όλα τα πυρηνικά καύσιμά του, κατορθώνει ακόμη, με κάποιον τρόπο, να διατηρεί την ισορροπία του και να μην καταρρέει από τη βαρυτική έλξη του. Ο τρόπος αυτός σχετίζεται με την απαγορευτική αρχή του Pauli. Όταν το άστρο έχει συσταλλεί αρκετά, τα σωματίδια ύλης έχουν πλησιάσει πολύ μεταξύ τους και έτσι, σύμφωνα με την απαγορευτική αρχή του Pauli, έχουν πολύ διαφορετικές ταχύτητες. Ακριβώς γ ι ‘ αυτό, τείνουν να απομακρυνθούν το ένα από το άλλο και έτσι το άστρο τείνει να διασταλλεί. Με αυτόν τον τρόπο το άστρο μπορεί να διατηρηθεί σε σταθερό μέγεθος όταν υπάρξει ισορροπία μεταξύ της έλξης της βαρύτητας και της άπωσης που σχετίζεται με την απαγορευτική αρχή — ακριβώς όπως στην προηγούμενη φάση του κύκλου της ζωής του υπήρχε ισορροπία μεταξύ της έλξης της βαρύτητας και της άπωσης που οφειλόταν στη θερμότητα των πυρηνικών αντιδράσεων σύντηξης. Ο Chandrasekhar κατάλαβε όμως ότι υπάρχει ένα όριο στην άπωση που οφείλεται σε αυτήν την διαφορά ταχυτήτων των σωματιδίων ύλης μέσα στο άστρο· η θεωρία της σχετικότητας προσδιορίζει ότι η μεγαλύτερη δυνατή διαφορά αυτών των ταχυτήτων δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός. (Τα σωματίδια δεν μπορούν να απομακρύνονται το ένα από το άλλο με ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός). Αυτό σημαίνει ότι όταν το άστρο γίνει αρκετά πυκνό η άπωση που σχετίζεται με την απαγορευτική αρχή θα είναι μικρότερη από την έλξη της βαρύτητας. Ο Chandrasekhar υπολόγισε ότι ένα ψυχρό άστρο με μάζα περίπου μιάμιση φορά μεγαλύτερη από τη μάζα του Ήλιου δεν θα μπορεί να διατηρεί την ισορροπία του και έτσι θα καταρρεύσει από τη βαρυτική έλξη του. (Αυτή η μάζα είναι γνωστή σήμερα ως όριο του Chandrasekhar). Παρόμοια ανακάλυψη έκανε την ίδια περίπου εποχή και ο Ρώσος επιστήμονας Lev Davidovich Landau. Το όριο του Chadrasekhar έχει σημαντικές επιπτώσεις στην τελική μοίρα των άστρων: αν η μάζα τους είναι μικρότερη από αυτό το όριο, το άστρο μπορεί κάποτε να σταματήσει να συστέλλεται, και να παραμείνει σε ένα τελικό στάδιο έχοντας ακτίνα λίγων χιλιάδων χιλιομέτρων και πυκνότητα δεκάδων τόνων ανά κυβικό εκατοστόμετρο. Αυτά τά άστρα ονομάζονται λευκοί νάνοι. Ένας λευκός νάνος διατηρεί την ισορροπία βαρυτικής έλξης και άπωσης που σχετίζεται με την απαγορευτική αρχή μεταξύ των ηλεκτρονίων της ύλης του. Σήμερα παρατηρούμε μεγάλο πλήθος από τέτοια άστρα. Ένα από τα πρώτα που ανακαλύφθηκαν κινείται σε τροχιά γύρω από τον Σείριο, το λαμπρότερο άστρο του νυχτερινού ουρανού.

Ο Landau έδειξε ότι υπήρχε και ένα άλλο πιθανό τελικό στάδιο για ένα άστρο, με οριακή μάζα περίπου δυόμισι φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ήλιου και ακτίνα μικρότερη και από αυτήν των λευκών νάνων. Και σε αυτά τα άστρα η άπωση που εξισορροπεί την πίεση της βαρυτικής έλξης σχετίζεται με την απαγορευτική αρχή, αλλά τώρα μεταξύ των νετρονίων των πυρήνων της ύλης του. (Τα πρωτόνια των πυρήνων ενώνονται με τα ηλεκτρόνια και σχηματίζουν νετρόνια). Για το λόγο αυτό ονομάζονται αστέρες νετρονίων. Οι αστέρες νετρονίων έχουν ακτίνα περίπου δεκαπέντε χιλιομέτρων και πυκνότητα δεκάδων εκατομμυρίων τόνων ανά κυβικό εκατοστόμετρο. Την εποχή που προβλέφθηκε για πρώτη φορά η ύπαρξη τους δεν υπήρχε τρόπος να παρατηρηθούν. Η ανίχνευση τους έγινε δυνατή πολύ αργότερα. Τα άστρα που η μάζα τους είναι μεγαλύτερη είτε από το όριο του Chandrasekhar για τους λευκούς νάνους είτε από το αντίστοιχο όριο για τους αστέρες νετρονίων, αντιμετωπίζουν μεγάλα προβλήματα όταν εξαντλούν τα πυρηνικά καύσιμα τους. Σε μερικές περιπτώσεις μπορεί να εκραγούν ή να καταφέρουν να εκτινάξουν αρκετή μάζα ώστε να μειώσουν την υπόλοιπη μάζα τους κάτω από αυτά τα όρια και έτσι να αποφύγουν την καταστροφική βαρυτική κατάρρευση. Είναι όμως δύσκολο να πιστέψουμε ότι συμβαίνει πάντοτε κάτι τέτοιο, ανεξάρτητα από το πόσο μεγάλο είναι το άστρο.
Με ποιό τρόπο ένα άστρο μπορεί να γνωρίζει ότι πρέπει να «αδυνατίσει»; Και αν ακόμη τα άστρα κατάφερναν τελικά να χάσουν αρκετή μάζα για να αποφύγουν την κατάρρευση, τι θα συνέβαινε αν προσθέταμε περισσότερη μάζα σε ένα λευκό νάνο ή έναν αστέρα νετρονίων έτσι που να ξεπερνούσε τα αντίστοιχα όρια; Θα κατέρρεε σε άπειρη πυκνότητα; Ο Eddington ενοχλήθηκε από ένα τέτοιο συμπέρασμα και αρνήθηκε να πιστέψει στο αποτέλεσμα του Chandrasekhar νόμιζε ότι δεν είναι δυνατόν ένα άστρο να συρρικνωθεί στις μηδενικές διαστάσεις ενός σημείου. Αυτή ήταν και η άποψη των περισσότερων φυσικών. Ο ίδιος ο Einstein δημοσίευσε μια εργασία όπου υποστήριζε ότι τα άστρα δεν συρρικνώνονται σε μηδενικό μέγεθος. Η εχθρότητα των άλλων φυσικών, και ιδιαίτερα του Eddington που ήταν ο καθηγητής του και η ηγετική αυθεντία της εποχής στα θέματα της δομής των άστρων, έπεισε τελικά τον Chandrasekhar να εγκαταλείψει αυτόν τον τομέα έρευνας και να στραφεί σε άλλα προβλήματα της αστρονομίας, όπως είναι η κίνηση των αστρικών σμηνών. Όμως το βραβείο Nobel που του απονεμήθηκε το 1983 αφορούσε, τουλάχιστον κατά ένα μέρος, ακριβώς την πρώτη του ανακάλυψη των οριακών μαζών των άστρων.
Ο Chandrasekhar απέδειξε ότι η απαγορευτική αρχή δεν θα μπορούσε να σταματήσει τη διαδικασία κατάρρευσης ενός άστρου με μάζα μεγαλύτερη από το όριο του Chandrasekhar· αλλά το πρόβλημα του τι θα συνέβαινε σε ένα τέτοιο άστρο σύμφωνα με την γενική θεωρία της σχετικότητας, το επέλυσε για πρώτη φορά το 1939 ο νεαρός Αμερικανός φυσικός Robert Oppenheimer. Τα αποτελέσματά του όμως οδηγούσαν στο συμπέρασμα ότι οι παρατηρήσιμες συνέπειες δεν ήταν δυνατό να ανιχνευτούν με τα τηλεσκόπια της εποχής. Ακολούθησε ο πόλεμος και ο Oppenheimer συνδέθηκε με την κατασκευή των πυρηνικών βομβών. Μετά τον πόλεμο το πρόβλημα της βαρυτικής κατάρρευσης ξεχάστηκε· οι περισσότεροι φυσικοί ασχολήθηκαν με το τι συμβαίνει στην κλίμακα του ατόμου και του πυρήνα του. Παρ’ όλα αυτά, στη δεκαετία του 1960 το ενδιαφέρον για τα προβλήματα στις μεγάλες κλίμακες της αστρονομίας και της κοσμολογίας ανανεώθηκε από την μεγάλη αύξηση, και στο πλήθος και στην έκταση, των αστρονομικών παρατηρήσεων που επέφερε η εφαρμογή της σύγχρονης τεχνολογίας. Η εργασία του Oppenheimer επανήλθε στην επικαιρότητα και η έρευνα συνεχίστηκε από πολλούς επιστήμονες. Η εικόνα που έχουμε σήμερα από την εργασία του Oppenheimer είναι η ακόλουθη: Η βαρυτική επίδραση ενός άστρου μεταβάλλει τις διαδρομές των ακτίνων του φωτός στο χωρόχρονο· οι διαδρομές που υπάρχουν είναι διαφορετικές από αυτές που θα υπήρχαν αν το άστρο δεν βρισκόταν εκεί. Οι κώνοι του φωτός, που δείχνουν ενδεικτικά τις διαδρομές που θα ακολουθούσαν στο χωρόχρονο κάποιες ακτίνες φωτός που θα εκπέμπονταν από τα σημεία όπου βρίσκονται οι κορυφές τους, κλίνουν ελαφρά προς τα μέσα κοντά στην επιφάνεια του άστρου. (Αυτό μπορεί να παρατηρηθεί κατά τη διάρκεια μιας έκλειψης Ηλίου στην καμπύλωση των ακτίνων του φωτός από τα μακρινά άστρα). Καθώς το άστρο συστέλλεται, η βαρυτική επίδραση του πάνω σε αντικείμενα που βρίσκονται κοντά στην επιφάνεια του μεγαλώνει και οι κώνοι του φωτός κλίνουν περισσότερο προς τα μέσα. Αυτό σημαίνει ότι γίνεται δυσκολότερο να διαφύγει το φως από το άστρο· σημαίνει επίσης ότι, για κάποιον παρατηρητή μακριά από το άστρο, το φως που εκπέμπεται απ’ αυτό φαίνεται πιο αμυδρό και πιο κοκκινωπό (το φάσμα του μετατοπίζεται προς το ερυθρό). Τελικά, όταν το άστρο συρρικνώνεται σε κάποια οριακή ακτίνα, η βαρυτική επίδραση πάνω στους κώνους φωτός που βρίσκονται κοντά στην επιφάνεια του γίνεται τόσο πολύ ισχυρή και οι κώνοι κλίνουν προς τα μέσα τόσο πολύ ώστε το φως δεν μπορεί πια να διαφύγει από την επιφάνεια του άστρου. Αν όμως δεν μπορεί να διαφύγει το φως, δεν μπορεί να διαφύγει και κανένα άλλο αντικείμενο αφού, σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας, όλα τα αντικείμενα κινούνται με ταχύτητα μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός. (Οι διαδρομές που θα ακολουθούσαν στο χωρόχρονο κάποια αντικείμενα τα οποία θα εκτοξεύονταν από τις κορυφές των αντίστοιχων κώνων φωτός και θα κινούνταν με μικρότερη ταχύτητα από αυτήν του φωτός, βρίσκονται όλες στο εσωτερικό αυτών των κώνων. Αν λοιπόν η κλίση των κώνων φωτός είναι απαγορευτική για τις ακτίνες του φωτός που οι διαδρομές τους βρίσκονται στην επιφάνεια των κώνων, θα είναι απαγορευτική και για όλα τα αντικείμενα που οι διαδρομές τους βρίσκονται στο εσωτερικό των κώνων). Έτσι έχουμε ένα σύνολο γεγονότων, δηλαδή μια περιοχή του χωροχρόνου, από όπου τίποτε δεν μπορεί να διαφύγει και να φτάσει σε κάποιον παρατηρητή μακριά από το άστρο. Αυτή η περιοχή είναι αυτό που αποκαλούμε σήμερα «μελανή οπή». Το όριό της ονομάζεται ορίζοντας των γεγονότων και ταυτίζεται με τις διαδρομές των ακτίνων του φωτός που μόλις και δεν κατορθώνουν να διαφύγουν από τη μελανή οπή.

Για να καταλάβουμε τι θα βλέπαμε αν παρατηρούσαμε ένα άστρο που κατέρρεε σχηματίζοντας μία μελανή οπή, πρέπει να θυμηθούμε ότι στη θεωρία της σχετικότητας δεν υπάρχει απόλυτος χρόνος· κάθε παρατηρητής έχει το δικό του μέτρο χρόνου. Ο χρόνος για έναν παρατηρητή που βρίσκεται πάνω σε ένα άστρο διαφέρει από το χρόνο για κάποιον που βρίσκεται μακριά από αυτό, αφού η βαρυτική έλξη του άστρου κάνει τα γεγονότα που συμβαίνουν στην περιοχή του πρώτου να φαίνονται ότι καθυστερούν σε σχέση με τα αντίστοιχα γεγονότα που συμβαίνουν στην περιοχή του δεύτερου. Ας υποθέσουμε ότι ένας ατρόμητος αστροναύτης βρίσκεται πάνω στην επιφάνεια ενός άστρου που καταρρέει από την έλξη της βαρύτητας και ότι κάθε ένα δευτερόλεπτο — σύμφωνα με το δικό του ρολόι — στέλνει ένα φωτεινό σήμα προς το διαστημόπλοιο του, που βρίσκεται σε τροχιά γύρω από το άστρο. Κάποια χρονική στιγμή — ας πούμε στις 11:00 του ρολογιού του αστροναύτη πάνω στο άστρο — η επιφάνεια του άστρου συρρικνώνεται κάτω από την οριακή ακτίνα όπου η βαρυτικη έλξη γίνεται τόσο ισχυρή ώστε τίποτε πια δεν μπορεί να διαφύγει προς το διάστημα· έτσι τα φωτεινά σήματα του αστροναύτη πάνω στο άστρο δεν μπορούν πια να φτάσουν στο διαστημόπλοιο. Καθώς θα πλησίαζε η ώρα 11:00, οι αστροναύτες από το διαστημόπλοιο θα έβρισκαν ότι τα σήματα του συναδέλφου τους πάνω στο άστρο θα καθυστερούσαν όλο και περισσότερο, δηλαδή τα χρονικά διαστήματα μεταξύ δύο διαδοχικών σημάτων θα γίνονταν όλο και μεγαλύτερα από ένα δευτερόλεπτο. Οι διαφορές όμως αυτές θα ήταν πολύ μικρές ως τις 10:59:59. Θα έπρεπε λοιπόν να περιμένουν ένα χρονικό διάστημα ελάχιστα μεγαλύτερο από ένα δευτερόλεπτο για να πάρουν τα σήματα που έστειλε ο συνάδελφός τους στις 10:59:58 και στις 10:59:59. Αλλά θα έπρεπε να περιμένουν για πάντα το σήμα των 11:00.

Τα κύματα του φωτός που θα εκπέμπονταν από την επιφάνεια του άστρου από τις 10:59:59 μέχρι και τις 11:00, σύμφωνα πάντοτε με το ρολόι του αστροναύτη πάνω στο άστρο, θα εξαπλώνονταν σε άπειρο χρονικό διάστημα σύμφωνα με το ρολόι του διαστημόπλοιου. Το χρονικό διάστημα λοιπόν μεταξύ της άφιξης δύο διαδοχικών κυμάτων στο διαστημόπλοιο θα μεγάλωνε συνεχώς, και έτσι το φως από το άστρο θα φαινόταν όλο και πιο αμυδρό και όλο πιο κοκκινωπό (το φάσμα του θα μετατοπιζόταν όλο και περισσότερο προς το ερυθρό). Τελικά, το φως από το άστρο θα γινόταν τόσο αμυδρό ώστε το άστρο δεν θα φαινόταν πια από το διαστημόπλοιο· στη θέση του στο διάστημα θα παρέμενε ένα μαύρο κενό, μια μελανή οπή. Το άστρο όμως θα συνέχιζε να ασκεί την ίδια βαρυτικη επίδραση στο διαστημόπλοιο, το οποίο έτσι θα συνέχιζε να βρίσκεται στην ίδια τροχιά αλλά τώρα πια γύρω από τη μελανή οπή.

Μια παρόμοια εξέλιξη όμως δεν θα μπορούσε να συμβεί στην πραγματικότητα, επειδή υπάρχει το εξής πρόβλημα: Η βαρύτητα γίνεται πιο ισχυρή όσο πιο κοντά βρίσκεται κανείς στο άστρο· έτσι, η δύναμη της βαρυτικής έλξης της στα πόδια του ατρόμητου αστροναύτη μας θα ήταν μεγαλύτερη από τη δύναμη στο κεφάλι του. Η διαφορά αυτή θα επιμήκυνε το σώμα του αστροναύτη και θα τον διαμέλιζε πριν ακόμη συσταλλεί το άστρο στην οριακή ακτίνα όπου σχηματίζεται ο ορίζοντας των γεγονότων! Πιστεύουμε όμως ότι υπάρχουν πολύ μεγαλύτερα αντικείμενα στο Σύμπαν, όπως οι κεντρικές περιοχές των γαλαξιών, που μπορούν επίσης να υποστούν βαρυτική κατάρρευση και να σχηματίσουν μελανές οπές. Ένας αστροναύτης πάνω τους δεν θα πάθει τίποτε πριν σχηματιστεί η μελανή οπή. Στην πραγματικότητα δεν θα αισθανθεί τίποτε το ιδιαίτερο καθώς θα πλησιάζει στην οριακή ακτίνα, και θα περάσει από το σημείο της «μη επιστροφής» χωρίς να το καταλάβει. Παρ’ όλα αυτά, στις επόμενες λίγες ώρες, καθώς η περιοχή θα συνεχίζει να καταρρέει, η διαφορά στις δυνάμεις της βαρυτικής έλξης στα πόδια του και στο κεφάλι του θα γίνει και πάλι τόσο μεγάλη που θα τον διαμελίσει.

Η γενική θεωρία της σχετικότητας προβλέπει ότι τα κινούμενα αντικείμενα προκαλούν την εκπομπή βαρυτικών κυμάτων, δηλαδή «ρυτιδώσεων» του χωροχρόνου που αποτελούνται από περιοδικές μεταβολές της καμπυλότητας του, τα οποία διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός. Τα βαρυτικά κύματα είναι παρόμοια με τα κύματα του φωτός, που είναι περιοδικές μεταβολές των ηλεκτρικών και μαγνητικών δυνάμεων ανιχνεύονται όμως πολύ δυσκολότερα. Όπως και τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα έτσι και αυτά μεταφέρουν ενέργεια την οποία αντλούν από την κίνηση των αντικειμένων που τα εκπέμπουν. Έτσι λοιπόν ένα σύστημα κινούμενων αντικειμένων θα καταλήξει κάποτε σε μια στατική κατάσταση, επειδή η ενέργεια κάθε κίνησης σταδιακά θα απάγεται από τα βαρυτικά κύματα. Για παράδειγμα, η κίνηση της Γης στην τροχιά της γύρω από τον Ήλιο παράγει βαρυτικά κύματα που απάγουν ενέργεια. Το αποτέλεσμα της απώλειας ενέργειας θα είναι να μεταβληθεί η τροχιά αυτή· σταδιακά λοιπόν η Γη θα πλησιάζει όλο και περισσότερο στον Ήλιο και κάποτε θα συγκρουστεί μαζί του, καταλήγοντας έτσι σε μια στατική κατάσταση. Ο ρυθμός της απώλειας ενέργειας στην περίπτωση του συστήματος Γης- Ήλιου είναι πολύ μικρός — περίπου όσος χρειάζεται για να λειτουργήσει ένα μικρό ηλεκτρικό θερμαντικό σώμα. Αυτό σημαίνει ότι θα χρειαστεί περίπου ένα οκτάκις εκατομμύριο (η μονάδα ακολουθούμενη από 27 μηδενικά) χρόνια για να συγκρουστεί η Γη με τον Ήλιο· δεν υπάρχει λοιπόν άμεσος λόγος ανησυχίας! Η μεταβολή της τροχιάς της Γης είναι πάρα πολύ μικρή και δεν μπορεί να παρατηρηθεί, αλλά ένα ανάλογο φαινόμενο παρατηρήθηκε πριν από λίγα χρόνια σε ένα αστρικό σύστημα, το PSR 1913 + 16. (Τα αρχικά PSR προέρχονται από την ονομασία pulsar). To σύστημα αυτό περιλαμβάνει δυο αστέρες νετρονίων που περιστρέφονται ο ένας γύρω από τον άλλον η απώλεια ενέργειας από την εκπομπή βαρυτικών κυμάτων τους αναγκάζει να πλησιάζουν όλο και περισσότερο μεταξύ τους.

Κατά τη διάρκεια της βαρυτικής κατάρρευσης ενός άστρου και το σχηματισμό μιας μελανής οπής, οι κινήσεις της ύλης θα είναι πολύ πιο γρήγορες, άρα και ο ρυθμός της απώλειας ενέργειας πολύ πιο μεγάλος. Δεν θα αργήσει λοιπόν αυτό το άστρο να καταλήξει σε μια στατική κατάσταση.

Πώς θα μοιάζει όμως αυτή η τελική κατάσταση; Θα μπορούσε κανείς να υποθέσει ότι θα εξαρτάται από όλα τα σύνθετα χαρακτηριστικά του άστρου — όχι μόνον από τη μάζα του και το ρυθμό της περιστροφής του, αλλά και από τις διαφορετικές πυκνότητες των διαφόρων μερών του και από τις πολύπλοκες κινήσεις των αερίων στο εσωτερικό του. Αν λοιπόν οι μελανές οπές ήταν τόσο διαφορετικές μεταξύ τους, όπως είναι τα αντικείμενα που τις σχηματίζουν με την κατάρρευσή τους, ίσως ήταν πολύ δύσκολο να κάνουμε γενικές προβλέψεις γ ι ‘ αυτές.
Σήμερα έχουμε αρκετές ενδείξεις ότι υπάρχουν μελανές οπές και σε κάποια άλλα συστήματα άστρων σαν τον Κύκνο Χ-1 στον γαλαξία μας και σε δύο άλλους γειτονικούς γαλαξίες που ονομάζονται «νέφη του Μαγγελάνου». Είναι όμως σχεδόν βέβαιο ότι το πλήθος των άστρων που πρέπει να έχουν μετατραπεί σε μελανές οπές στη μακραίωνη ιστορία του Σύμπαντος είναι πολύ πιο μεγάλο, αφού στη διάρκεια αυτή πολλά άστρα πρέπει να εξάντλησαν τα πυρηνικά τους καύσιμα και να κατέρρευσαν. Μάλιστα, οι μελανές οπέω μπορεί να είναι περισσότερες και από τα ορατά άστρα, τα οποία μόνο στο γαλαξία μας είναι περίπου εκατό δισεκατομμύρια. Η πρόσθετη βαρυτική έλξη από τόσο πολλές μελανές οπές μπορεί να εξηγήσει το ρυθμό περιστροφής του γαλαξία μας. (Η μάζα των ορατών άστρων δεν είναι από μόνη της αρκετά μεγάλη για να προκαλέσει ένα τέτοιο ρυθμό περιστροφής). Έχουμε επίσης κάποιες ενδείξεις ότι στο κέντρο του γαλαξία μας υπάρχει μια πολύ πιο μεγάλη μελανή οπή, με μάζα εκατό χιλιάδες περίπου φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ήλιου. Τα άστρα του γαλαξία που θα πλησιάζουν πολύ αυτή τη μελανή οπή θα διαλύονται από τη διαφορά των δυνάμεων της βαρυτικής έλξης στα σημεία που βρίσκονται σε διαφορετικές αποστάσεις από αυτήν. Τα υπολείμματα τους μαζί με τα αέρια που διαφεύγουν από άλλα άστρα θα πέφτουν προς τη μελανή οπή· όπως συμβαίνει και στον Κύκνο Χ-1, όλη αυτή η ύλη θα ακολουθεί σπειροειδή τροχιά και κατά την κίνηση της αυτή θα θερμαίνεται, όχι όμως τόσο που να εκπέμπει ακτίνες Χ. Μπορεί όμως σε αυτήν να οφείλεται η εκπομπή ραδιοκυμάτων και υπέρυθρων ακτίνων που παρατηρούμε ότι προέρχονται από μια πολύ μικρή περιοχή στο κέντρο του γαλαξία μας.

Β. Ο ΘΑΝΑΤΟΣ ΤΩΝ ΑΣΤΕΡΙΩΝ

Το στάδιο του κόκκινου γίγαντα για κάθε άστρο που υπάρχει στο Σύμπαν, αποτελεί το προτελευταίο κεφάλαιο της ζωής του. Σ’ αυτό το στάδιο ένα άστρο βρίσκεται στον προθάλαμο του θανάτου του. Ενός θανάτου που θ’ αφήσει πίσω του ένα μόνο από τρία πιθανά λείψανα, ανάλογα με τη μάζα που έχει κάθε άστρο. Άστρα με υλικά λιγότερα από 4 ηλιακές μάζες θα μετατραπούν σε άσπρους νάνους. Άστρα με 4 έως 25 ηλιακές μάζες θα γίνουν πάλσαρ ή άστρα νετρονίων, ενώ άστρα με ακόμη μεγαλύτερες μάζες θα καταλήξουν να γίνουν μελανές οπές.
Όταν ένα άστρο της πρώτης κατηγορίας (με λιγότερα υλικά από 4 ηλιακές μάζες), γίνει κόκκινος γίγαντας, μπαίνει σε μία περίοδο αστάθειας. Η βαρυτική του δύναμη δεν είναι ικανή να συγκρατήσει τα εξωτερικά του στρώματα, τα οποία αποχωρίζονται σιγά-σιγά και διαφεύγουν στο διάστημα. Τα αέρια αυτά στρώματα αποχωρώντας σχηματίζουν ένα διαστελλόμενο κέλυφος, το οποίο στα τηλεσκόπιά μας φαίνεται σαν ένας δακτύλιος αερίων. Οι αστρονόμοι των περασμένων αιώνων, με τα μικρά τους τηλεσκόπια ονόμασαν τα αντικείμενα αυτά πλανητικά νεφελώματα επειδή νόμιζαν πως έμοιαζαν με πλανήτες. Τα διαστελλόμενα αέρια των πλανητικών νεφελωμάτων περιλαμβάνουν το μεγαλύτερο μέρος της αρχικής μάζας ενός άστρου και καθώς αποχωρίζονται απ’ αυτό, αφήνουν πίσω τους, αποκαλύπτοντάς τον συγχρόνως, το γυμνό υπερθερμασμένο πυρήνα του. Ο πυρήνας αυτός αποτελείται από άνθρακα και οξυγόνο, δηλαδή τα κατάλοιπα, η «στάχτη», των θερμοπυρηνικών αντιδράσεων του ηλίου. Αντικρίζουμε δηλαδή το λείψανο του αρχικού άστρου, που έχει φτάσει πια στο τέλος του.
Παρότι ο υπερθερμαζόμενος πυρήνας του έχει πάψει να παράγει ενέργεια (μιας και οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις στο κέντρο του έχουν σταματήσει εντελώς), εκπέμπει τεράστιες ποσότητες υπεριώδους ακτινοβολίας, ενώ η επιφανειακή του θερμοκρασία φτάνει τους 100000 oC. Η μεγάλη όμως αυτή θερμότητα οφείλεται στην τρομαχτική συμπίεση των υλικών του, που έχουν περιοριστεί σε μία σφαίρα ίση με το μέγεθος του πλανήτη μας. Το αρχικό μας, δηλαδή, άστρο έχει μετατραπεί σ’ έναν άσπρο νάνο, που ακτινοβολεί ένα έντονο γαλαζόλευκο φως από μία επιφάνεια 16.000 φορές μικρότερη από την αρχική του. Τα διαστελλόμενα αέρια του κελύφους, που περιβάλλει πλέον τον νεοαποκαλυφθέντα άσπρο νάνο ερεθίζονται από την υπεριώδη ακτινοβολία του και λάμπουν. Χίλια μόνο πλανητικά νεφελώματα έχουν μέχρι σήμερα ανακαλυφτεί γιατί η διάρκεια της ζωής τους είναι σχετικά μικρή. Μέσα σε 50.000 χρόνια τα αέρια αυτά διασκορπίζονται στο διάστημα, παύουν να ερεθίζονται από τον κεντρικό τους άσπρο νάνο και δεν είναι ορατά πια από τα τηλεσκόπιά μας. Έτσι στα τελευταία 60 χρόνια, με τη βοήθεια της Κβαντομηχανικής και της Θεωρίας της Σχετικότητας, έχει δημιουργηθεί ένα ικανό θεωρητικό υπόβαθρο ή μοντέλο, που επεξηγεί την εξέλιξη αυτών των άστρων. Σ’ αυτήν μάλιστα τη μελέτη σημαντικότατη ήταν η προσφορά του Ινδοαμερικανού αστροφυσικού Σουμπραμανιάν Τσαντρασεκάρ (Νόμπελ Φυσικής 1983), ο οποίος υπολόγισε ότι το μέγιστο όριο της μάζας ενός άσπρου νάνου δεν μπορεί να υπερβαίνει τις 1,4 ηλιακές μάζες. Προς τιμήν του το όριο αυτό ονομάζεται Όριο Τσαντρασεκάρ. Όσο μάλιστα πιο μεγάλη είναι_η μάζα του τόσο πιο μικρή είναι και η διάμετρος του άσπρου νάνου. Το μικρό όμως μέγεθος, σε συνδυασμό με τη μεγάλη σχετικά μάζα, έχει ως αποτέλεσμα η βαρύτητα που επικρατεί στην επιφάνειά του να είναι 200000 φορές μεγαλύτερη της γήινης.
Ο θάνατος των άστρων με μεγαλύτερη ποσότητα υλικών απ’ ό,τι ο Ήλιος, είναι πολύ πιο θεαματικός. Άστρα με 5 ηλιακές μάζες και πάνω καταναλώνουν το καύσιμο υδρογόνο τους φτάνοντας στο στάδιο του κόκκινου γίγαντα μέσα σε μερικές δεκάδες εκατομμύρια χρόνια. Το βάρος των τεράστιων ποσοτήτων των εξωτερικών του στρωμάτων είναι τόσο μεγάλο, ώστε ένας γαλάζιος γίγαντας χρειάζεται να παράγει στο εσωτερικό του τεράστιες ποσότητες ενέργειας προκειμένου να αντισταθμίζει την πίεση της βαρύτητας των υλικών του. Τέτοιου είδους άστρα αναγκάζονται να εκραγούν με μια τεράστια έκρηξη, που είναι ένα από τα πιο βίαια φαινόμενα στο Σύμπαν. Η έκρηξη αυτή ονομάζεται σουπερνόβα και έχει ως αποτέλεσμα την κυριολεκτική διάλυση του άστρου που την προκάλεσε. Ένα τέτοιο άστρο μετατρέπει όλο το απόθεμα του υδρογόνου στον πυρήνα του σε ήλιο μέσα σε μερικά εκατομμύρια χρόνια, με αποτέλεσμα ν’ αρχίσει να «φουσκώνει» μετατρεπόμενο τελικά σε έναν κόκκινο υπεργίγαντα μέσα σε διάστημα τριών εκατομμυρίων χρόνων από τη γέννησή του. Τα άστρα αυτά εξογκώνονται σε πραγματικούς κόκκινους υπεργίγαντες με διάμετρο 500-1.000 φορές τη σημερινή διάμετρο του Ηλίου. Στο εσωτερικό ενός τέτοιου κόκκινου υπεργίγαντα, οι διεργασίες που συμβαίνουν είναι τέτοιες, ώστε όταν φτάσει η στιγμή ν’ αρχίσει η συστολή του, δεν μπορεί να μετατραπεί σε άσπρο νάνο με την απλή εκτόξευση των εξωτερικών του στρωμάτων, όπως στην περίπτωση των πλανητικών νεφελωμάτων. Επειδή το γιγάντιο αυτό άστρο εξακολουθεί να χρειάζεται ενέργεια για να στηρίξει την τεράστια μάζα του, αρχίζει μια νέα σειρά πυρηνικών αντιδράσεων στο κέντρο του. Οι «στάχτες», τα προϊόντα δηλαδή μιας αντίδρασης γίνονται το «καύσιμο» μιας άλλης. Πρώτα το υδρογόνο μετατρέπεται σε ήλιο, το ήλιο σε άνθρακα και οξυγόνο, ο άνθρακας σε νέον και μαγνήσιο και μ’ αυτόν τον τρόπο η κατάσταση αρχίζει να γίνεται δραματική. Οι διεργασίες του εσωτερικού του το κάνουν να πάλλεται ακανόνιστα, ενώ όλο και πιο νέες πυρηνικές αντιδράσεις δημιουργούν όλο και πιο βαρύτερα χημικά στοιχεία για να ικανοποιήσουν τις ενεργειακές ανάγκες εξισορρόπησης του άστρου. Το άστρο δηλαδή σ’ αυτήν τη φάση μοιάζει μ’ ένα κρεμμύδι, του οποίου ο πυρήνας περιβάλλεται από στρώματα διαφορετικών πυρηνικών καύσεων. Φυσικά η κατάσταση αυτή δεν μπορεί να συνεχιστεί για πάντα.

Σ’ ένα άστρο με υλικά 50 ηλιακών μαζών, για παράδειγμα, τα αποθέματα υδρογόνου στον πυρήνα του εξαντλούνται μέσα σε 3 εκατομμύρια χρόνια, ενώ το καύσιμο ήλιο σε μερικές χιλιάδες χρόνια. Ο πυρήνας του ηλίου συρρικνώνεται, η κεντρική θερμοκρασία αυξάνει στους 50 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου και το ήλιο αρχίζει να μεταστοιχειώνεται σε άνθρακα. Συγχρόνως όμως αυξάνει και ο όγκος του, μέχρις ότου μετατραπεί σε έναν τεράστιο κόκκινο υπεργίγαντα με διάμετρο αρκετές εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη από τη διάμετρο του Ηλίου μας. Η βαρύτητα όμως των εξωτερικών του στρωμάτων δεν είναι ικανή να τα συγκρατήσει. Με τη μορφή σωματιδίων ενός ελαφρού «αστρικού ανέμου», παρόμοιου με το δικό μας «ηλιακό άνεμο», μεγάλες ποσότητες υλικών διαφεύγουν στο διάστημα με ταχύτητα 10 km/s.
Η διαρροή των υλικών αυτών συνεχίζεται με τον ίδιο ρυθμό επί χιλιάδες χρόνια αναγκάζοντας το άστρο να επιταχύνει την περιστροφή του. Η γρήγορη αυτή περιστροφή υποχρεώνει με τη σειρά της τα διαφεύγοντα αέρια να πάρουν μία δισκοειδή μορφή, ώσπου τελικά, λόγω της αυξανόμενης φυγόκεντρης δύναμης, σχηματίζεται ένας διαρκώς διαστελλόμενος δίσκος στη θέση του αρχικού κελύφους υλικών. Έτσι 5.000 χρόνια πριν από το τέλος ο «αστρικός άνεμος» των υλικών αυξάνει την ταχύτητά του στα 600 km/s. Τα υλικά της δεύτερης αυτής, και ταχύτερης, διαρροής προφταίνουν τα προηγούμενα αργοκίνητα υλικά και τα συμπιέζουν σχηματίζοντας ένα δακτύλιο αερίων, που συνεχώς διαστέλλεται. Χίλια περίπου χρόνια πριν από το τέλος η εσωτερική θερμοκρασία του άστρου φτάνει τους 800 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου και ο κεντρικός πυρήνας του άνθρακα, που είχε συσσωρευτεί, αρχίζει να μετατρέπεται σε νέον και νάτριο, οπότε τα πράγματα αρχίζουν να δυσκολεύουν όλο και πιο πολύ. Έτσι δύο χρόνια πριν από το τέλος, χωρίς καμία εξωτερική προειδοποίηση, όταν η θερμοκρασία στον πυρήνα του φτάνει το 1,5 δισεκατομμύριο βαθμούς Κελσίου, αρχίζει η «καύση» του νέον σε οξυγόνο και μαγνήσιο. Έξι μήνες πριν από το τέλος αρχίζει η καύση του οξυγόνου με τη μετατροπή του σε πυρίτιο και θείο. Η θερμοκρασία του πυρήνα αγγίζει τότε τους 2 δισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου.

Μερικές μόνο ημέρες πριν από το τέλος η κεντρική του θερμοκρασία φτάνει τους 4 δισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου και το πυρίτιο που έχει συγκεντρωθεί εκεί αρχίζει να μετατρέπεται σε σίδηρο κι έτσι μέσα σε μερικές ώρες η ποσότητα του σιδήρου στο κέντρο αρχίζει να μεγαλώνει. Όταν η σιδερένια καρδιά του υπεργίγαντα αρχίσει να συμπιέζεται από τη βαρύτητα των ανώτερων στρωμάτων του, η θερμοκρασία του αυξάνει ακόμη πιο πολύ. Σε λιγότερο από δύο ημέρες το άστρο αποκτά μία, κυριολεκτικά, σιδερένια καρδιά με μάζα μεγαλύτερη από αυτήν του Ηλίου μας, ενώ γύρω της συνεχίζονται σε στρώματα οι καύσεις του πυριτίου, του οξυγόνου, του νέον, του άνθρακα και του ηλίου, που έχουν συνολική μάζα έξι φορές αυτής του Ηλίου.

Το 85% της μάζας του άστρου παραμένει φυσικά στα εξωτερικά του στρώματα με τη μορφή υδρογόνου. Φτάνει όμως κάποια στιγμή όπου η κεντρική θερμοκρασία είναι αρκετά υψηλή για να αρχίσει η καύση του σιδήρου. Κάτι τέτοιο όμως «ανοίγει την πόρτα» σε πραγματικά απόκοσμες καταστροφικές διαδικασίες, αφού ο σίδηρος διαθέτει τον πιο σταθερό ατομικό πυρήνα, πράγμα που σημαίνει ότι όταν εμπλέκεται σε πυρηνικές αντιδράσεις διάσπασης ή σύντηξης όχι μόνο δεν παράγει ενέργεια, αλλά αντίθετα την απορροφάει. Για να μετατραπεί δηλαδή ο σίδηρος σε βαρύτερα ή ελαφρότερα χημικά στοιχεία χρειάζεται ενέργεια, που σημαίνει ότι η ενέργεια αυτή δεν είναι διαθέσιμη, ώστε να συγκρατήσει το τεράστιο βάρος των ανώτερων στρωμάτων του άστρου, με αποτέλεσμα την ακόμη μεγαλύτερη συμπίεση του σιδερένιου αστρικού πυρήνα και την ακόμη μεγαλύτερη αύξηση της θερμοκρασίας του.
Όταν ο συγκεντρωμένος σίδηρος στην καρδιά ενός γιγάντιου άστρου φτάσει το Όριο Chandrasekhar η συμπίεση είναι τόσο μεγάλη, ώστε η θερμοκρασία στο σιδερένιο πυρήνα του άστρου ξεπερνάει τους 4 δισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου. Από εδώ και πέρα, στο επόμενο δευτερόλεπτο, τα πάντα γίνονται με αστραπιαία ταχύτητα. Ο πυρήνας του άστρου διασπάται σε δύο τμήματα. Το εσωτερικό τμήμα του πυρήνα καταρρέει ανεμπόδιστο προς το κέντρο με ταχύτητα που αγγίζει τα 80000 km/s (πάνω από το 25% της ταχύτητας του φωτός). Η κατάρρευση αυτή συμπιέζει τα υλικά του τόσο πολύ, ώστε η διάμετρός του συρρικνώνεται από 6.000 σε 6 km μόνο. Φανταστείτε δηλαδή τη Γη ολόκληρη να συμπιεστεί ξαφνικά και σε χιλιοστά του δευτερολέπτου να πάρει το μέγεθος της Αθήνας.
Η κατάρρευση του κεντρικού αστρικού πυρήνα ενός γιγάντιου άστρου ωθεί την ύλη του να διασπαστεί σε θετικά φορτισμένα πρωτόνια, σε αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια και σε νετρόνια χωρίς καμία ηλεκτρική φόρτιση. Επειδή η πίεση είναι τεράστια, τα ηλεκτρόνια συγχωνεύονται με τα πρωτόνια δημιουργώντας νετρόνια και σε μια θερμοκρασία που φτάνει τους 50 δισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου, δημιουργούνται 1058 νετρίνα (η μονάδα ακολουθούμενη από 58 μηδενικά), που προς στιγμή βρίσκονται φυλακισμένα στην υπέρπυκνη και υπέρθερμη κόλαση του αστρικού πυρήνα. Σε χιλιοστά του δευτερολέπτου η ύλη του πυρήνα αποτελείται από νετρόνια μόνο και τεράστιες ποσότητες νετρίνων, που λόγω της μεγάλης πυκνότητας της ύλης δεν μπορούν να δραπετεύσουν. Σε δέκα χιλιοστά του δευτερολέπτου η πυκνότητα της αστρικής καρδιάς φτάνει να είναι τέσσερεις φορές μεγαλύτερη από την πυκνότητα ενός ατομικού πυρήνα, ενώ η θερμοκρασία έχει φτάσει τους 100 δισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου. Τη στιγμή εκείνη, δηλαδή 41 εκατοστά του δευτερολέπτου μετά την έναρξη της κατάρρευσης του πυρήνα, η πυκνότητα του κέντρου φτάνει το ένα δισεκατομμύριο τόνους ανά κυβικό εκατοστό. Τα φυλακισμένα νετρίνα μαζί με τα υπόλοιπα υλικά δεν αντέχουν άλλη συμπίεση και εξοστρακίζονται προς τα έξω. Όλη δηλαδή η κινητική ενέργεια που δημιουργείται από την κατάρρευση του εσωτερικού τμήματος του πυρήνα μετατρέπεται σ’ ένα τεράστιο «κρουστικό κύμα», το οποίο σαν μία κοσμική μπουλντόζα ξεκινάει προς τα εξωτερικά στρώματα του άστρου.
O αριθμός των νετρίνων που παράγεται σ’ ένα κανονικό άστρο, όπως ο Ήλιό μας, είναι πραγματικά τεράστιος. Όμως ο αριθμός αυτός ωχριά μπροστά στον αριθμό που παράγεται κατά τη διάρκεια της μετατροπής ενός υπεργιγάντιου άστρου σε σουπερνόβα. Στη διάρκεια μιας τέτοιας έκρηξης παράγονται δέκα δισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια, τρισεκατομμύρια, τρισεκατομμύρια, τρισεκατομμυρίων νετρίνα (1058). Λόγω αυτού του αριθμού τα νετρίνα διαδραματίζουν σημαντικότατο ρόλο στην καταστροφική εξέλιξη ενός άστρου, γιατί με την εκτίναξή τους μεταφέρουν μαζί τους τεράστια ποσά ενέργειας απ’ αυτό. Επειδή, λοιπόν, τη στιγμή της έκρηξης η θερμοκρασία στον πυρήνα μπορεί να φτάσει τους 100 δισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου, τα νετρίνα αυτά μεταφέρουν ενέργεια και αποσπούν έτσι το 99,99% της ενέργειας που εκλύεται από την κατάρρευση του άστρου. Έτσι, το ορατό φως που βλέπουμε από την έκρηξη αυτή δεν αποτελεί παρά το 0,01%, πράγμα που σημαίνει ότι στις 10.000 μονάδες ενέργειας που εκλύονται από μία έκρηξη σουπερνόβα, οι 9.999 μονάδες μεταφέρονται από τα νετρίνα και μία μόνο μονάδα από το ορατό φως που βλέπουμε. Παρ’ όλη δηλαδή τη φωτεινότητα που έχει μία σουπερνόβα, η ορατή της πλευρά δεν είναι παρά μία παρωνυχίδα στο πραγματικά «εκρηκτικό» γεγονός της εκπομπής των νετρίνων.

Τα νετρίνα αφήνουν πίσω τους συμπιεσμένα υλικά 1,5 περίπου ηλιακής μάζας αποτελούμενα από νετρόνια. Τα υλικά αυτά σχηματίζουν ένα άστρο νετρονίων εκλύοντας τεράστια ποσά ενέργειας που ισοδυναμούν με τη μετατροπή του 20% υλικών της μάζας του Ηλίου σε καθαρή ενέργεια. Η ενέργεια δηλαδή που ακτινοβολείται είναι ίση με την εκπομπή ενέργειας του Ηλίου μας για αρκετά τρισεκατομμύρια χρόνια. Η θερμοκρασία φτάνει τώρα τους 480 δισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου και τα φυλακισμένα νετρίνα κατορθώνουν επιτέλους να διαφύγουν μεταφέροντας μαζί τους το 99% της ενέργειας αυτής.
Η εκτίναξη του εσωτερικού πυρήνα τον υποχρεώνει να συγκρουστεί βίαια με τον καταρρέοντα ακόμη εξωτερικό πυρήνα δημιουργώντας έτσι ένα κρουστικό κύμα με περισσότερη ενέργεια απ’ αυτήν που εκλύει ένας ολόκληρος γαλαξίας σε δέκα περίπου χρόνια. Η δημιουργία του κρουστικού αυτού κύματος σηματοδοτεί τη γέννηση της σουπερνόβα. Κι έτσι, καθώς το κύμα αυτό μαζί με τα νετρίνα διαστέλλεται μέσα στον καταρρέοντα εξωτερικό αστρικό πυρήνα, επιτρέπει στα νετρίνα να διαφύγουν στο διάστημα. Με την ταχύτητα του φωτός τα νετρίνα αυτά διαδίδουν πλέον στο Σύμπαν τα πρώτα μηνύματα του αστρικού θανάτου.
Ένα δευτερόλεπτο μετά την αρχή της δραματικής αυτής κατάρρευσης, το κρουστικό κύμα, με ταχύτητα που φτάνει τα 30000 km/s, εξορμάει προς τα εξωτερικά στρώματα του άστρου, το οποίο δεν έχει προφτάσει ακόμη να «συνειδητοποιήσει» το τι συμβαίνει στον πυρήνα του. Το κρουστικό αυτό κύμα παρασύρει στο διάβα του και συντρίβει τα αστροϋλικά που συναντάει. Η σύγκρουση αυτή παράγει αρκετές ποσότητες όλων των βαρέων χημικών στοιχείων όπως ασβέστιο, μόλυβδος και ουράνιο.
Στα 100 πρώτα δευτερόλεπτα μετά την εκκίνησή του, το κρουστικό κύμα διασχίζει όλους τους μανδύες του αστρικού πυρήνα και φτάνει στο όριο, που διαχωρίζει το κέλυφος του ηλίου με τα εξωτερικά στρώματα του υδρογόνου (που αποτελεί το 85% των υλικών του άστρου). Δύο χιλιάδες δευτερόλεπτα αργότερα η δημιουργηθείσα ανισορροπία σχηματίζει ακτινωτές συγκεντρώσεις αερίων του αστρικού πυρήνα πέντε φορές πυκνότερες από τα αέρια των εξωτερικών στρωμάτων που διαπερνούν. Στα 10000 δευτερόλεπτα (2 ώρες και 47 λεπτά) τα διαστελλόμενα υλικά του πυρήνα παίρνουν τη μορφή ενός αχινού. Στο μεταξύ το γοργά διαστελλόμενο «κρουστικό κύμα» συναντά στο δρόμο του ένα στρώμα οξυγόνου και το μετατρέπει αμέσως σε ραδιενεργό νικέλιο. Μία ποσότητα 140 τρισεκατομμυρίων τρισεκατομμύρια τόνοι νικελίου-56 (7% της μάζας του Ηλίου) εκτοξεύεται μαζί μ’ όλα τ’ άλλα υλικά στο διάστημα, με ταχύτητα 17000 km/s, θερμαίνοντας τα αέρια του εξωτερικού μανδύα στους 100000 οC.
Το κρουστικό κύμα διασχίζει το άστρο μέσα σε μερικές ώρες και η τεράστια έκρηξη που επακολουθεί παράγει ενέργεια ίση με την ενέργεια που θα παρήγαγε ο Ήλιος σε δέκα τρισεκατομμύρια χρόνια, αν μπορούσε να ζήσει τόσο πολύ. Και όλη αυτή η ενέργεια εκλύεται σε μερικά μόνο δευτερόλεπτα. Τέτοιου είδους εκρήξεις μπορούν να συγκριθούν μόνο με τη «Μεγάλη Έκρηξη». Με την κυριολεκτική αυτή διάλυση του άστρου η πρώτη φωτεινή του αναλαμπή ανακοινώνεται στο Σύμπαν. Η αναλαμπή αυτή αποτελείται κυρίως από υπεριώδη ακτινοβολία, που είναι αόρατη στα ανθρώπινα μάτια. Μία ώρα, όμως, αργότερα τα εκτοξευόμενα υλικά έχουν χάσει αρκετή από την ταχύτητά τους και η ακτινοβολία που εκπέμπεται είναι ορατή.

Την ίδια στιγμή ολόκληρο το άστρο διασπάται κυριολεκτικά με μία κολοσσιαία έκρηξη και την εκπομπή τεράστιων ποσοτήτων υπεριώδους ακτινοβολίας και ακτίνων Χ, λάμποντας με τη συνολική ένταση 250 εκατομμυρίων ήλιων. Παρ’ όλο που το νικέλιο δεν αποτελεί παρά μόνο το 1% της συνολικής ποσότητας των αερίων, που εκτοξεύει μια σουπερνόβα, εν τούτοις αποτελεί την κύρια πηγή ενέργειας η οποία εξακολουθεί επί μήνες να θερμαίνει τα διαστελλόμενα αέρια με θερμοκρασία 5.000 0C, καθώς το ραδιενεργό νικέλιο-56 μετατρέπεται σε κοβάλτιο-56 και αυτό με τη σειρά του σε σίδηρο-56.

Μετά από μία έκρηξη σουπερνόβα, και ενώ το μεγαλύτερο μέρος του άστρου καταστρέφεται εκτοξευόμενο στο Διάστημα, ο πυρήνας του παραμένει στη θέση του ανέπαφος μεν αλλά σε φοβερά ασταθή κατάσταση. Αν η μάζα του πυρήνα δεν ξεπερνάει τις 3, περίπου, ηλιακές μάζες τότε οποιαδήποτε περαιτέρω συμπίεσή του σταματάει. Αυτό που απομένει όταν η κατάρρευση και ο εξοστρακισμός σταματήσoυν, είναι_χημικά στοιχεία της φύσης. Έτσι, η έκρηξη μιας σουπερνόβα είναι ταυτόχρονα ένα τέλος και μια αρχή. Το εκρηκτικό τέλος της ζωής ενός άστρου απελευθερώνει όλα τα χημικά στοιχεία, που είχαν δημιουργηθεί στην καρδιά του κατά τη διάρκεια της σύντομης σχετικά ζωής του, καθώς και πολλά άλλα που γεννήθηκαν τη στιγμή της έκρηξης. Τα νέα αυτά χημικά στοιχεία δημιουργούν παράξενους νεφελώδεις σχηματισμούς, που επί αιώνες διαστέλλονται στο διάστημα με τρομαχτικές ταχύτητες. Τα νεφελώματα αυτά υπερθερμαίνονται από τις τεράστιες ακτινοβολίες υψηλής ενέργειας, που εκπέμπουν οι παλλόμενες ραδιοπηγές οι οποίες έχουν απομείνει στο κέντρο τους, φωτίζοντας έτσι τα λείψανα αυτά των άστρων με τις αραχνιασμένες μορφές.

Η «σούπα» αυτή των χημικών στοιχείων εμπλουτίζει τα διάσπαρτα νεφελώματα αερίων και διαστημικής σκόνης από τα οποία θα γεννηθούν τα άστρα και οι πλανήτες των επόμενων γενεών. Γι’ αυτό χωρίς τις εκρήξεις των σουπερνόβα δεν θα υπήρχαν πλανήτες ούτε και δορυφόροι. Χωρίς τις σουπερνόβα δεν θα υπήρχε η Γη, δεν θα υπήρχαν βράχια και βότσαλα, δεν θα υπήρχαν λίμνες και θάλασσες. Χωρίς τις εκρήξεις των σουπερνόβα, δεν θα υπήρχαν φυτά και ζώα, δεν θα υπήρχε ο άνθρωπος. Γιατί ολόκληρη η ύλη στο σώμα μας, τα χημικά στοιχεία απ’ το οποίο αποτελείται δημιουργήθηκαν στην «κόλαση» τέτοιων αστρικών θανάτων. Είμαστε δηλαδή αστράνθρωποι, που δημιουργηθήκαμε από χημικά στοιχεία φτιαγμένα στις θανατηφόρες εκρήξεις υπεργιγάντιων άστρων. Είμαστε όλοι μας αστρόσκονη και κάποια μέρα θα ξαναγυρίσουμε στα άστρα.

Γ. ΒΑΡΥΤΙΚΗ ΚΑΤΑΡΡΕΥΣΗ

Τα αστέρια είναι φωτεινές σφαίρες αερίου στις οποίες η προς τα μέσα έλξη της βαρύτητας είναι ταυτόσημη με την προς τα έξω ώθηση πίεσης. Η πυρηνική ενέργεια απελευθερώνεται στο εσωτερικό σε υψηλή θερμοκρασία, εκπέμπεται από την επιφάνεια σε χαμηλή θερμοκρασία και η χαμηλή θερμοκρασία της ακτινοβολίας αυτής στηρίζει την χημεία της πλανητικής ζωής.
Αλλά σε κάθε αστέρι έρχεται η αρχή του τέλους. Η κεντρική δεξαμενή του υδρογόνου του προσεγγίζει την εξάντληση και το αστέρι αρχίζει να πεθαίνει. Η συνεχής έλξη της βαρύτητας προκαλεί στις κεντρικές περιοχές υψηλότερα επίπεδα πυκνοτήτων και θερμοκρασιών, και κατά συνέπεια οι εξωτερικές περιοχές διογκώνονται και ένα αστέρι γίνεται ερυθρός γίγαντας. Ένα αστέρι όπως ο Ήλιος εξελίσσεται στη συνέχεια σε ένα λευκό νάνο στον οποίο η περισσότερη ύλη του συμπιέζεται σε μια σφαίρα περίπου στο μέγεθος της Γης. Πολλά αστέρια καταλήγουν λευκοί νάνοι, ψύχονται αργά, ενισχυμένα εσωτερικά κόντρα στη βαρύτητα από την πίεση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (όπως και στα συνήθη μέταλλα).
Τα περισσότερα μεγάλα αστέρια δεν τα “παρατάνε” τόσο εύκολα. Η βαρύτητα είναι ισχυρότερη σε αυτά τα αστέρια και στις κεντρικές περιοχές τους, συνεχίζουν να πετυχαίνουν ακόμη υψηλότερες πυκνότητες και θερμοκρασίες, αντλώντας έτσι τα τελευταία αποθέματα της πυρηνικής ενέργειας. Αυτά τα αστέρια γίνονται φωτεινοί κόκκινοι γίγαντες σπαταλώντας ενέργεια με καταπληκτικά γρήγορο ρυθμό. Σύντομα, τους εξαντλούναι τα αποθέματα πυρηνικής ενέργειας. Μόνο η βαρυτική ενέργεια παραμένει στην μοιραία τιμή της συνεχούς συρρίκνωσης. Στην τελική δίνη τους, οι πυρήνες “τρέχουν” προς τα μέσα, ύλη εκρύγνεται προς τα έξω, και σύντομα γίνονται supernova. Ακολούθως γεννιούνται αστέρες νετρονίων με τη μορφή του ταχέως περιστρεφόμενου pulsar.
Τα πιο ογκώδη αστέρια έχουν καταρρέοντες πυρήνες που δεν μπορούν να συλληφθούν από οποιαδήποτε γνωστή κατάσταση της ύλης. Στο τέλος έχουμε τη γένεση μιας μελανής οπής. Αν πέσουμε με την καταρρέοντα πυρήνα ενός αστέρα πολύ μεγάλης μάζας, μετά από τα τελευταία στάδια του, σε δεκάδες μικροδευτερόλεπτα ο πυρήνας σχεδόν ακουμπά την άπειρη πυκνότητα. Γίνεται μια παραδοξότητα, κατά κάποιο τρόπο παρόμοια με το πρώιμο σύμπαν, για την οποία έχουμε καταλάβει πολύ λίγα. Σύμφωνα με ορισμένα επιχειρήματα, η πυκνότητα του σε αυτή την κατάσταση είναι 1094 γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό πολλαπλασιασμένη με την πυκνότητα του νερού. Τα μόνα σωζόμενα σωματίδια κάτω από αυτές τις ακραίες συνθήκες είναι ίσως τα βασικά κβάντα του χωροχρόνου. Ο ίδιος ο χωροχρόνος είναι ίσως ένας “πυκνός αφρός” στον οποίο ο χώρος και ο χρόνος είναι άρρηκτα κωδικοποιημένα μαζί και μια ομαλή χρονικά αλληλουχία των γεγονότων εξαφανίζεται.
Αλλά σε ένα μακρινό παρατηρητή στον έξω κόσμο η πτώση αστέρων δεν φτάνει ποτέ σε αυτή την κατάσταση. Η βαρυτική ερυθρή μετατόπιση αυξάνεται σταθερά και το άστρο φαίνεται να πέφτει όλο και πιο αργά. Καθώς το αστέρι πλησιάζει ένα κρίσιμο μέγεθος, γνωστό ως ακτίνα Schwarzschild, η μετατόπιση προς το ερυθρό προσεγγίζει το άπειρο. Το “ερυθρό” αστέρι, σκουραίνει γρήγορα στο σκοτάδι, και μένει για πάντα στο κρίσιμο μέγεθος, κατεψυγμένο σε μία μόνιμη κατάσταση ελεύθερης κατάρρευσης. Τίποτα, ούτε καν το φως, μπορεί πλέον να ξεφύγει από τον έξω κόσμο (σύμφωνα με την κλασική θεωρία). Ίδια μοίρα υπάρχει στην κατάρρευση αστέρων, βρίσκεται μόνο ένα κλάσμα του δευτερολέπτου μακριά. Σε ένα μακρινό παρατηρητή, όμως, το αστέρι είναι μια μελανή οπή, όπου ο χρόνος σταματά και η μοίρα της βαρυτικής κατάρρευσης είναι πάντα κρυμμένη.

Έστω παρατηρητής Α πέφτει μέσα σε μια μελανή οπή και ένας παρατηρητής Β μακριά στον “έξω κόσμο”. Ο Β σκέφτεται “Γιατί πρέπει να ανησυχώ για την τύχη του Α; Στο χώρο καιχρόνο μου Α αναστέλλεται για πάντα σε κατεψυγμένη κατάσταση και ποτέ δεν θα φτάσει τη μοναδικότητα.” Αλλά είναι αλήθεια αυτό; Η θεωρία δείχνει ότι σε ένα κλειστό σύμπαν υπό κανονική πίεση και πυκνότητα του υπάρχει μόνο ένα ιδιομορφο μέλλον. Ο παρατηρητής στο καταρρέον αστέρι βλέπει τον έξω κόσμο κυανό, και το ακραίο κυανό επιτυγχάνει την τιμή του, όταν το άστρο φτάσει στο κρίσιμο μέγεθος (ακτίνα Schwarzschild) και γίνεται μια μελανή οπή. Τα πάντα στον έξω κόσμο θεωρούνται επιταχυνόμενα από τον παρατηρητή Α, παίρνουν όλο και ταχύτερους ρυθμούς, καθώς η κατάρρευση εξελίσσεται, και, στο κρίσιμο μέγεθος, βλέπει ότι όλα συμβαίνουν έξω με μεγάλη ταχύτητα. Το μέλλον της ιστορίας του σύμπαντος περνά σε ένα φλας. Ας υποθέσουμε ότι στο απώτερο μέλλον, σε δεκάδες ή εκατοντάδες δισεκατομμύρια χρόνια και στην εποχή μας (ώρα του Β), το σύμπαν παύει να επεκτείνεται και να καταρρέει πίσω σε μια δεύτερη Μεγάλη Έκρηξη. Ο παρατηρητής Α βλέπει όλα αυτά να συμβαίνουν σε λίγο ή καθόλου χρόνο;

Ο χρόνος μέσα στη μελανή οπή και ο χρόνος στον έξω κόσμο, έστω ρυθμίζονται στον ίδιο ρυθμό, και Α και Β, κρατώντας τα χέρια, κατεβαίνουν μαζί σε μια κοσμική μοναδικότητα. Ο παρατηρητής Β εξωτερικά, δεν πέφτει μέσα στη μελανή οπή, τώρα βρίσκει τον εαυτό του επί ίσοις όροις με το εσωτερικό παρατηρητή Α, και μαζί πληρούν την μοίρα τους.

Δ. ΚΑΜΠΥΛΩΜΕΝΟΣ ΧΩΡΟΧΡΟΝΟΣ – ΒΑΡΥΤΙΚΑ ΚΥΜΑΤΑ

Στο Σύμπαν που ζούμε αντιλαμβανόμαστε εύκολα τις τρεις διαστάσεις του, όπου κάθε αντικείμενο έχει ένα δεδομένο ύψος, μήκος και πλάτος. Αν όμως ζούσαμε σε ένα Σύμπαν δύο διαστάσεων τότε αυτό θα ήταν ένα άπειρα λεπτό επίπεδο, ενώ ένα μονοδιάστατο Σύμπαν δεν θα ήταν παρά μια απλή γραμμή. Τέλος ένα αντικείμενο με μηδέν διαστάσεις θα ήταν μια απλή τελεία χωρίς καθόλου μέγεθος. Εμείς φυσικά γνωρίζουμε ότι ζούμε σ’ ένα Σύμπαν τεσσάρων διαστάσεων, γιατί όλοι μας υπάρχουμε μέσα σ’ αυτό που ονομάζουμε χωρόχρονο. Ο χρόνος δηλαδή είναι μια από τις τέσσερεις διαστάσεις. Η διάσταση φυσικά αυτή δεν είναι άμεσα αντιληπτή όπως οι τρεις διαστάσεις του χώρου. Γιατί η αντίληψη που έχουμε για τη διάσταση του χρόνου είναι διαφορετική. Αισθανόμαστε τη ροή του χρόνου σαν γεγονότα που έρχονται προς εμάς από το μέλλον και χάνονται πίσω μας στο παρελθόν. Δεν μπορούμε φυσικά να δούμε το μέλλον, αλλά ούτε και το παρελθόν παρά μόνο ως μια ανάμνηση. Παρ’ όλα αυτά ένα αντικείμενο δεν μπορεί να υπάρχει στο χώρο, χωρίς τη διάσταση του χρόνου.
Η μεγαλύτερη ανακάλυψη του Einstein ήταν όταν διαπίστωσε ότι η βαρύτητα δεν είναι στην πραγματικότητα μία δύναμη, αλλά το αποτέλεσμα της παραμόρφωσης των τεσσάρων διαστάσεων του χωρόχρονου. Οποιοδήποτε μικρό ή μεγάλο κομμάτι ύλης, είτε άτομο, πλανήτης, άστρο, είτε γαλαξίας είναι αυτό μπορεί και παραμορφώνει τη δομή του χωρόχρονου. Καθώς τα διάφορα αντικείμενα κινούνται στο Σύμπαν είναι σαν να κυλάνε μέσα, έξω και γύρω απ’ αυτές τις χωροχρονικές παραμορφώσεις, ενώ η κίνησή τους επηρεάζεται από τις παραμορφώσεις αυτές, τις οποίες δεν μπορούμε να δούμε. Αντίθετα, εκείνο το οποίο βλέπουμε είναι το αποτέλεσμα που προκαλεί στα διάφορα αυτά αντικείμενα η επίδραση της φαινομενικά μυστηριώδους δύναμης που ονομάζουμε βαρύτητα.
Παρ’ όλο που ο Einstein δεν μπόρεσε να προχωρήσει πιο πολύ, οι σύγχρονοι συνάδελφοί του πιστεύουν ότι μπορούν να το κάνουν αν ξεπεράσουν το «φράγμα» των τεσσάρων διαστάσεων. Η σκέψη που κάνουν είναι ότι και οι άλλες τρεις δυνάμεις της φύσης μπορεί να δημιουργούνται κι αυτές από χωροχρονικές παραμορφώσεις, όχι όμως στις τέσσερεις διαστάσεις του κανονικού χωρόχρονου. Έτσι για να εξηγηθεί η ύπαρξη των τριών αυτών δυνάμεων, της ηλεκτρομαγνητικής, της ασθενούς και της ισχυρής, απαιτείται η ύπαρξη έξι πρόσθετων διαστάσεων. Αν λοιπόν η θεωρία αυτή αληθεύει, ζούμε σ’ ένα Σύμπαν δέκα διαστάσεων.
Πού βρίσκονται άραγε αυτές οι μυστηριώδεις επιπλέον διαστάσεις; Μπορούμε άραγε να τις δούμε ή να ταξιδέψουμε μέσα σ’ αυτές; Η απάντηση είναι αρνητική κι αυτό διότι οι «αόρατες» αυτές, έξι επιπλέον, διαστάσεις βρίσκονται «διπλωμένες» στο εσωτερικό των ατομικών σωματιδίων. Κάθε γεωμετρικό σημείο του χώρου είναι στην πραγματικότητα και μια υπερσφαίρα έξι διαστάσεων. Μια υπερσφαίρα όμως τόσο μικρή, ώστε ακόμη και ένα πρωτόνιο να είναι συγκριτικά τεράστιο. Στο εσωτερικό της υπερσφαίρας αυτής το Σύμπαν υπάρχει στην απόλυτη απλότητά του, με ένα μόνο είδος σωματιδίων και μία μόνο δύναμη. Ακριβώς όπως συνέβαινε τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης. Η διάσπαση όμως της υπερσφαίρας αυτής θα απαιτούσε τόση ενέργεια όση και αυτή που δαπα- νήθηκε για τη δημιουργία του Σύμπαντος!
Σύμφωνα με τα δεδομένα της κλασικής Νευτώνειας φυσικής, ένα αντικείμενο κινείται στο Διάστημα σε ευθεία γραμμή και με σταθερή ταχύτητα, εκτός και αν μια άλλη δύναμη επιδράσει σ’ αυτό. Με άλλα λόγια, ένας πλανήτης θα κινούνταν σε ευθεία γραμμή, εάν δεν τον επηρέαζε η δύναμη της βαρύτητας του Ηλίου. Από τη νευτώνεια αυτή άποψη, λέμε ότι η βαρύτητα του Ηλίου έλκει τον πλανήτη κρατώντας τον σε μία ελλειπτική τροχιά. Στη φυσική της Σχετικότητας όμως, ένα αντικείμενο κινείται επίσης σε ευθεία γραμμή με σταθερή ταχύτητα, εκτός και αν ασκηθεί σ’ αυτό κάποια δύναμη. Ο Αϊνστάιν επέμενε ότι αυτή η ευθεία γραμμή πρέπει να θεωρηθεί ως γραμμή στο χωρόχρονο αντί μόνο στο χώρο γιατί σύμφωνα με τη Θεωρία της Σχετικότητας, η βαρύτητα δεν είναι μία «πραγματική» δύναμη! Ο Einstein μας δίδαξε ότι η βαρυτική δύναμη του Ηλίου δεν έλκει τους πλανήτες και για τον ίδιο λόγο η βαρύτητα της Γης δεν έλκει προς τα κάτω το μήλο ή οποιοδήποτε άλλο αντικείμενο που πέφτει. Υπέθεσε, δηλαδή, ότι αυτό που συμβαίνει στην πραγματικότητα είναι το εξής: ένα μεγάλο σώμα ύλης, όπως ο Ήλιος, καμπυλώνει το χωρόχρονο της περιοχής που το περιβάλλει. Και όσο πλησιέστερα πάμε στον Ήλιο τόσο μεγαλύτερη είναι

η καμπυλότητα.
Για να το αντιληφθούμε αυτό καλύτερα, ας φανταστούμε ένα τεντωμένο επίπεδο σεντόνι από ελαστικό. Όταν τοποθετήσουμε ένα πορτοκάλι πάνω στο ελαστικό αυτό σεντόνι, θα σχηματισθεί αυτόματα ένα μικρό βαθούλωμα, έτσι ώστε ένας μικρός βόλος που θα είναι ήδη τοποθετημένος κοντά στο πορτοκάλι αναγκαστικά θα κυλήσει προς αυτό. Είναι φυσικά φανερό ότι το πορτοκάλι δεν έλκει το βόλο προς το μέρος του. Αυτό που συμβαίνει είναι μάλλον η δημιουργία ενός πεδίου από το πορτοκάλι (ενός δηλ. βαθουλώματος στο ελαστικό σεντόνι), έτσι ώστε ο βόλος, ακολουθώντας το δρόμο της μικρότερης αντίστασης, κυλάει προς το πορτοκάλι.

Σε γενικές γραμμές λοιπόν, η φυσική της Σχετικότητας εφαρμόζει την ίδια ιδέα που περιγράφηκε στη δομή του χωρόχρονου. Σύμφωνα με τη θεωρία του Einstein ο χωρόχρονος, όπως το ελαστικό σεντόνι, είναι παραμορφωμένος από την παρουσία μεγάλων μαζών, όπως ο Ήλιος. Αυτή η παραμόρφωση του χωρόχρονου αποτελεί ένα πεδίο έλξης. Έτσι, σύμφωνα με τον Einstein, ένας πλανήτης δεν κινείται σε ελλειπτική τροχιά γύρω από τον Ήλιο επειδή τον έλκει προς αυτόν η βαρυτική δύναμη του Ηλίου. Το βαρυτικό πεδίο που δημιουργείται από την ηλιακή παραμόρφωση του χωρόχρονου καθιστά την ελλειπτική τροχιά την πιο ευθεία τροχιά που μπορεί να διαγράψει ο πλανήτης.

Τα τελευταία 90 χρόνια, η βαρυτική θεωρία του Einstein έχει γίνει αποδεκτή ως η πιο ικανοποιητική απ’ όλες τις άλλες. Επιπλέον η θεωρία αυτή περιλαμβάνει με τον καλύτερο τρόπο όλα όσα γνωρίζουν μέχρι σήμερα οι επιστήμονες για τη βαρύτητα. Παρ’ όλα αυτά όμως ακόμη κι αυτή αφήνει ορισμένα βασικά ερωτήματα αναπάντητα όπως, η παραμόρφωση του χωρόχρονου συμβαίνει άραγε «αστραπιαία» μέσα στο χωρόχρονο ή μήπως μεταδίδεται σαν κίνηση κυμάτων; Η αναζήτηση του Einstein για μια απάντηση στο ερώτημα αυτό, τον οδήγησε σ’ ένα εκπληκτικό αποτέλεσμα. Ακριβώς όπως υπάρχουν κύματα φωτός τα οποία μεταφέρουν ενέργεια από τόπο σε τόπο, ο Einstein συμπέρανε ότι θα πρέπει να υπάρχουν και βαρυτικά κύματα, τα οποία μεταφέρουν ενέργεια από τύπο σε τύπο. Θεώρησε δηλαδή ότι οι αυξανόμενες και οι μειούμενες δυνάμεις βαρύτητας ακτινοβολούνται προς τα έξω σαν τα κύματα που δημιουργούνται από την πτώση μιας πέτρας στην επιφάνεια μιας λίμνης.
Από πού όμως θα έρχονταν τέτοια κύματα βαρύτητας; Ο Einstein, υπέθεσε ότι τα κύματα αυτά θα εκπέμπονταν από διαστημικά σώματα με τεράστιες μάζες κάτω από τεράστιων διαστάσεων βίαιες μεταβολές. Καταστροφικά κοσμικά συμβάντα, όπως η σπειροειδής σύμπτυξη ενός ζεύγους άστρων νετρονίων, θα πρέπει να εκπέμπουν κύματα βαρύτητας στο Διάστημα με ταχύτητα ίση με αυτήν του φωτός (300.000 km/s). Καθώς τα ταχυκίνητα αυτά κύματα έρχονται σε επαφή με διάφορα σωματίδια ύλης στο διάστημα, η ταχύτητα των σωματιδίων αυτών θα πρέπει να μεταβάλλεται έτσι, ώστε και τα σωματίδια αυτά να εκπέμπουν κύματα βαρύτητας. Ακόμη όμως και μ’ αυτήν την αλυσιδωτή βαρυτική αντίδραση, ο Einstein πίστευε ότι τα κύματα βαρύτητας ήταν τόσο αδύναμα, ώστε να μην γίνουν ποτέ αντιληπτά.

Όσο ζούσε ο Einstein, η θεωρία του για τα βαρυτικά κύματα παρέμεινε χωρίς αποδείξεις. Σήμερα όμως οι ενδείξεις οδηγούν τους επιστήμονες να συμπεράνουν ότι ο Einstein είχε για άλλη μια φορά δίκιο στους υπολογισμούς του για το Σύμπαν. Στη δεκαετία του 1960, μετά από πειράματα 10 ετών, ο καθηγητής του Πανεπιστήμιου του Μαίριλαντ, Τζόζεφ Γουέμπερ, ανήγγειλε ότι ήταν βέβαιος πλέον για την ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων. Ένα ειδικό όργανο που είχε κατασκευάσει, ένας ανιχνευτής βαρυτικής ακτινοβολίας, είχε καταγράψει ορισμένα σήματα που μόνον ως βαρυτικά κύματα μπορούσαν να εξηγηθούν. Έκτοτε, η πρώτη αυτή προσπάθεια του Γουέμπερ παρακίνησε και άλλους επιστήμονες να κατασκευάσουν κι αυτοί νέους ανιχνευτές βαρυτικής ακτινοβολίας και συνεχίζουν να αναζητούν νέες μεθόδους για να αποδείξουν πειραματικά την ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων. Πάρτε για παράδειγμα την τεράστια πειραματική διάταξη ακτίνων λέιζερ LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) στην Πολιτεία της Λουϊζιάνα των ΗΠΑ. Πρόκειται στην πραγματικότητα για μία γιγάντια κεραία με στόχο τον εντοπισμό των βαρυτικών κυμάτων της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας. Στην ίδια επαλήθευση στοχεύ- ει, μεταξύ των άλλων, και μία συστοιχία διαστημοσυσκευών με την επωνυμία «Laser Interforometer Space Antenna – LISA», στην οποία συνεργάζονται οι δύο μεγάλες Διαστημικές Υπηρεσίες της Ευρώπης και της Αμερικής, οι οποίες ελπίζουν ότι θα διευκρινίσουν μερικά από τα μεγαλύτερα ερωτηματικά που έχουμε σήμερα για το Σύμπαν.
Ακριβώς έναν αιώνα μετά από μια μοναδική χρονιά για τη φυσική, ο Einstein συνεχίζει να είναι επίκαιρος όσο ποτέ άλλοτε. Μέσα από μια πρόβλεψη της θεωρίας του για τη βαρύτητα, η επιστημονική κοινότητα ετοιμάζεται να ανιχνεύσει το Σύμπαν με άλλα «μάτια». Τα βαρυτικά κύματα, αναπόσπαστο τμήμα της σχετικιστικής θεωρίας του Einstein για τη βαρύτητα, αναμένεται να ανιχνευθούν μέσα στα επόμενα χρόνια και μαζί τους να ξεκινήσει μια πρωτόγνωρη χαρτογράφηση του Σύμπαντος, που θα ξεκινά από τις πρώτες στιγμές της δημιουργίας του.
Πριν από 3,5 περίπου αιώνες (1665-1666), ο μεγάλος Άγγλος μαθηματικός και φυσικός Newton, έθεσε τα θεμέλια της μαθηματικής ανάλυσης και χρησιμοποιώντας την έδειξε για πρώτη φορά τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί η βαρύτητα και εξήγησε την κίνηση των ουράνιων σωμάτων. Αυτή η χρονιά χαρακτηρίσθηκε ως annus mirabilis (έτος θαυμάτων) για την επιστήμη και στην ουσία αποτελεί την απαρχή της κλασικής φυσικής, αλλά και γενικότερα της σύγχρονης επιστημονικής σκέψης. Μετά από 2,5 αιώνες η μία παρατήρηση μετά την άλλη άρχισαν να δείχνουν ελλείψεις στην ακρίβεια της θεωρίας του Νεύτωνα και η επιστήμη των αρχών του 20ου αιώνα ωρίμαζε για να υποδεχθεί ένα νέο annus mirabilis. Μέσα σε ένα χρόνο ο «άσημος» υπαλληλάκος του γραφείου ευρεσιτεχνιών της Βέρνης, με πέντε μοναδικές εργασίες έμελε να δώσει το έναυσμα μιας θαυμαστής επιστημονικής επανάστασης, τα αποτελέσματα και οι συνέπειες της οποίας μπορούν να συγκριθούν μόνο με την επανάσταση του Νεύτωνα. Το 1905 ο Αϊνστάιν απέδειξε την ύπαρξη των ατόμων (αμφισβητούμενα έως τότε), παρουσίασε την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας και έθεσε τα θεμέλια της Κβαντικής Θεωρίας.
Μπορεί να μη δημιούργησε καινούργια μαθηματικά, όπως ο Νεύτωνας, αλλά άλλαξε ριζικά την αντίληψή μας για το χώρο και το χρόνο. Αυτό ήταν όμως μόνο η αρχή, αφού για 50 χρόνια ο Αϊνστάιν προώθησε με μοναδικό τρόπο την έρευνα στη νεότερη φυσική προσπαθώντας να συμβιβάσει τις δύο βασικές θεωρίες που καθορίζουν τον κόσμο, την Κβαντική Θεωρία, η οποία εξηγεί με μοναδική ακρίβεια τα φαινόμενα του μικρόκοσμου και τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, που είναι η επικρατούσα θεωρία για τη βαρύτητα και εξηγεί τα φαινόμενα του μακρόκοσμου. Μισό αιώνα μετά το θάνατό του η συμβατότητα των δύο θεωριών συνεχίζει να αποτελεί το «ιερόδισκοπότηρο» της σύγχρονης φυσικής και το κύριο αντικείμενο έρευνας των θεωρητικών φυσικών της εποχής μας.

Αν φανταστούμε το χωρόχρονο σαν ένα επίπεδο δίχτυ, τότε κάθε σώμα που τοποθετούμε σ’ αυτό προκαλεί μια τοπική καμπύλωση. Η καμπυλότητα αυτή σύμφωνα με τον Einstein αποτελεί έκφραση της ύπαρξης του βαρυτικού πεδίου. Μεγαλύτερες συγκεντρώσεις μάζας δημιουργούν εντονότερες καμπυλώσεις. Οποιαδήποτε μεταβολή του βαρυτικού πεδίου, για παράδειγμα ένα δεύτερο σώμα, που περιφέρεται περί το κεντρικό, θα δημιουργεί μεταβολές στην καμπυλότητα του διχτυού (χωρόχρονου) που θα διαδίδεται με τη μορφή βαρυτικών κυμάτων.
Τι είναι τα βαρυτικά κύματα; Η βαρύτητα είναι η ασθενέστερη από τις βασικές δυνάμεις που υπάρχουν στη φύση. Παρόλα αυτά κυριαρχεί στο Σύμπαν και είναι υπεύθυνη για την παρούσα μορφή του, αλλά και για τη μελλοντική του εξέλιξη. Οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις είναι απείρως ισχυρότερες, αλλά η ύπαρξη θετικών και αρνητικών φορτίων έχει ως αποτέλεσμα την αλληλοεξουδετέρωσή τους κι έτσι το Σύμπαν σε μεγάλη κλίμακα είναι ηλεκτρικά ουδέτερο. Κάθε σώμα δημιουργεί γύρω του ένα ελκτικό βαρυτικό πεδίο και με βάση τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας καμπυλώνει το χωρόχρονο που τον περιβάλλει. Η Θεωρία της Σχετικότητας πρεσβεύει ότι ο χώρος και ο χρόνος είναι άρρηκτα συνδεδεμένοι κι έτσι ο τρισδιάστατος χώρος που αντιλαμβανόμαστε στην καθημερινή μας πρακτική αντικαθίσταται από τον ενιαίο τετραδιάστατο χωρόχρονο.
Τα βαρυτικά κύματα, με βάση την αρχική πρόταση του Einstein, που πρωτοδιατυπώθηκε το 1916, είναι «κυματισμοί» του βαρυτικού πεδίου ή, ακόμη καλύτερα, του χωρόχρονου και κινούνται με την ταχύτητα του φωτός. Στην κλασική θεωρία του Νεύτωνα για τη βαρύτητα, κάθε μεταβολή του βαρυτικού πεδίου θα γινόταν αισθητή αυτόματα σε κάθε σημείο του Σύμπαντος, ενώ, με βάση τη Θεωρία της Σχετικότητας, η πληροφορία για την αλλαγή του βαρυτικού πεδίου διαδίδεται στο χώρο με πεπερασμένη ταχύτητα, την ταχύτητα του φωτός.
Η αλλαγή του βαρυτικού πεδίου γίνεται αισθητή από τα διάφορα σώματα με τη μορφή παλιρροιογόνων δυνάμεων. Οι παλιρροιογόνες δυνάμεις έχουν την τάση να παραμορφώνουν τα σωμάτα (ας θυμηθούμε τις παλίρροιες στη Γη λόγω της έλξης της Σελήνης).

Επομένως αν θέλουμε να μετρήσουμε τις μεταβολές του βαρυτικού πεδίου, δηλαδή τα βαρυτικά κύματα, θα πρέπει να παρατηρούμε τις μεταβολές της απόστασης δύο αντιδιαμετρικών σημείων του σώματος. Ας υποθέσουμε πως ένα βαρυτικό κύμα προσκρούει κάθετα σε μια περιοχή της Γης, στην οποία έχουμε τοποθετήσει δύο μακριές ράβδους σε σχήμα «L». Τότε, λόγω της διέλευσης του βαρυτικού κύματος, μεταβάλλεται περιοδικά το μήκος των δύο ράβδων.
Όταν το μήκος της μιας ελαττώνεται, της άλλης αυξάνεται και αντιστρόφως, με ρυθμό που προσδιορίζεται από τη συχνότητα του κύματος. Αν φανταστούμε τον εαυτό μας σαν έναν ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων να στέκεται με ανοικτά τα χέρια, τότε ένα διερχόμενο βαρυτικό κύμα θα αλλάζει το ύψος μας περιοδικά, ενώ θα αυξομειώνει και το άνοιγμα των χεριών μας. Αν μετρηθούμε, θα είμαστε ψηλότεροι ή κοντύτεροι κατά κάποια τρισεκατομμυριοστά του πάχους μια τρίχας του κεφαλιού μας!
Σ’ αυτήν τη λογική βασίζεται και η κατασκευή των σύγχρονων ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων. Δύο δέσμες λέιζερ εκπέμπονται από ένα κοινό σημείο και ανακλώνται σε δύο κάτοπτρα τα οποία βρίσκονται 3 με 4 km μακριά. Όταν το φως των δύο δεσμών επιστρέψει πίσω, «προστίθεται» σε ένα φωτοανιχνευτή. Αν οι δύο δέσμες έχουν διανύσει ακριβώς την ίδια απόσταση, τότε η συμβολή τους θα μας δώσει μια δέσμη ισχυρότερη από τις επιμέρους, αντίθετα, αν οι δύο δέσμες έχουν διανύσει διαφορετικές αποστάσεις, η συμβολή τους θα δώσει μια ασθενέστερη δέσμη. Ένα διερχόμενο βαρυτικό κύμα θα μεταβάλλει περιοδικά τις αποστάσεις των δύο κατόπτρων από το κεντρικό σημείο και η συμβολή των δύο δεσμών λέιζερ θα δίνει άλλοτε ισχυρότερο και άλλοτε ασθενέστερο τελικό σήμα. Επομένως η μεταβολή της έντασης του φωτός στο φωτοανιχνευτή αποτελεί ένδειξη της διέλευσης ενός βαρυτικού κύματος. Στους σύγχρονους ανιχνευτές είναι δυνατόν να μετρηθούν μεταβολές στην απόσταση των κατόπτρων της τάξης του 0,000000000000000001 cm. Τέτοιου είδους μεταβολές αναμένεται να δημιουργούνται από ισχυρές πηγές βαρυτικών κυμάτων, όπως η έκρηξη ενός υπερκαινοφανούς αστέρα σε απόσταση 50 εκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη (για παράδειγμα στο σμήνος γαλαξιών της Παρθένου). Αν φυσικά η πηγή των βαρυτικών κυμάτων είναι στο Γαλαξία μας, τότε, επειδή η πιθανή απόσταση από τη Γη θα είναι 1000 τουλάχιστον φορές μικρότερη, το σήμα που θα λάβουμε θα είναι 1000 φορές ισχυρότερο.

Με βάση τα παραπάνω, δημιουργείται η εντύπωση ότι η ενέργεια που μεταφέρεται από τα βαρυτικά κύματα είναι μικρή. Εν τούτοις, η ροή ενέργειας με τη μορφή βαρυτικών κυμάτων από τον υπερκαινοφανή που προαναφέραμε, θα είναι 10.000 φορές περισσότερη από όση μας δίνει το λαμπρότερο αστέρι του νυχτερινού ουρανού. Αν μπορούσαμε να μετατρέψουμε την ενέργεια των βαρυτικών κυμάτων του παραδείγματός μας σε ηλεκτρομαγνητική ενέργεια, θα παρητηρούσαμε ένα σώμα στον ουρανό που θα ήταν λαμπρότερο από την πανσέληνο, αν και θα βρισκόταν σε απόσταση ένα δισεκατομμύριο δισεκατομμύρια φορές μακρύτερα απ’ ό,τι η Σελήνη. Η δυσκολία στην ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων οφείλεται στην υψηλή τους διαπερατότητα, διότι, για παράδειγμα, διαπερνούν τη Γη χωρίς να χάσουν σημαντικό ποσοστό της ενέργειάς τους (σχεδόν τίποτα). Αντίθετα, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα (π.χ. το φως) απορροφώνται από την ύλη, για παράδειγμα από το μάτι μας, κι έτσι τα μακρινά αντικείμενα γίνονται ορατά, ακόμη κι αν η εκπεμπόμενη ροή ενέργειας είναι πάρα πολύ μικρή.
Αυτό όμως που ακούγεται ως μειονέκτημα των βαρυτικών κυμάτων έχει και συγκεκριμένες πρακτικές ωφέλειες. Τα βαρυτικά κύματα ταξιδεύουν στο χώρο διά μέσου αστέρων, γαλαξιών ή νεφών ύλης ουσιαστικά ανεμπόδιστα. Επομένως, αν εμείς μπορέσουμε να καταγράψουμε τα ίχνη της διέλευσής τους, θα παρατηρούμε περιοχές του Σύμπαντος (στις οποίες δημιουργήθηκαν) που αλλιώς θα ήταν αόρατες, αν τιc παρατηρούσαμε με τις κλασικές μεθόδους της αστρονομίας, παραδείγματος χάριν με οπτικά τηλεσκόπια, ραδιοτηλεσκόπια ή με τηλεσκόπια ακτίνων Χ.

Ε. ΟΙ ΜΕΛΑΝΕΣ ΟΠΕΣ SCHWARTZSCHILD

Η μετρική Schwartzschild, στο σύστημα των σφαιρικών συντεταγμένων παρουσιάζει «ανωμαλίες» για r=2M διότι g₀₀=0 και g₁₁ τείνει στο άπειρο! Εν τούτοις, η ορίζουσα του μετρικού τανυστή g=det|g_μν|=r⁴sin²(θ) είναι διάφορη του μηδενός για r=2M, οπότε η «ανωμαλία» αυτή θα λέγαμε ότι είναι μια φαινομενική ανωμαλία ή ανωμαλία του συστήματος συντεταγμένων και όχι μια ουσιαστική ανωμαλία. Στη συγκεκριμένη περίπτωση η παραγματική ανωμαλία βρίσκεται στο r=0.
Παρότι η επιφάνεια r=2M δεν αποτελεί ουσιαστικό πρόβλημα για τη μετρική Schwartzschild, έχει σημαντικές φυσικές ιδιότητες που θα προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε μέσω της μελέτης του κώνου φωτός στον χωρόχρονο Schwartzschild. Οι γενέτειρες του κώνου φωτός (για σταθερά θ και φ) θα δημιουργούνται από την περιορισμένη μορφή της μετρικής:

Ασυμπτωματικά για r → ∞ , οι γενέτειρες του κώνου φωτός θα τέμνονται σε ορθή γωνία, αλλά για μικρότερα r, η γωνία ελλατώνεται, ενώ στην κρίσιμη απόσταση r=2M,οι γενέτειρες του κώνου φωτός ταυτίζονται και επομένως τα φωτεινά σήματα δεν μπορούν να διαφύγουν για μεγαλύτερα r, αλλά αντίθετα φαίνεται να παραμένουν στάσιμα στην επιφάνεια για r=2M.

Άρα θα μπορούσαμε να θεωρήσουμε ότι η ευθεία r=2M στο διάγραμμα t-r είναι μια φωτοειδός καμπύλη και αντίστοιχα η σφαιρική επιφάνεια r=2M είναι μια φωτοειδής επιφάνεια. Για r<2M τα πρόσημα στην παραπάνω εξίσωση αλλάζουν και μαζί τους και η σημασία των συντεταγμένων, δηλαδή η χρονική συντεταμένη t γίνεται χωρική και αντίστροφα η χωρική συντεταγμένη r γίνεται χρονική. Οπότε ο κώνος φωτός αλλάζει όπως το παρακάτω σχήμα.

Συνέπεια τούτου είναι ότι κανένα σωματίδιο, ούτε τα φωτόνια μπορούν να κινηθούν προς μεγαλύτερα r, αλλά αντίθετα κινούνται προς r=0, που αποτελεί την ουσιαστική ανωμαλία του χωρόχρονου.

Στην αδυναμία διαφυγής των σωμάτων αλλά και των φωτονίων από την περιοχή r≤2M, οφείλουμε τον όρο μελανή οπή, δηλαδή μια περιοχή του χωρόχρονου από την οποία τίποτα δεν μπορεί να διαφύγει, ούτε και το φως.
Η επιφάνεια r=2M, ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων ή απλά ορίζοντας και επιφάνεια άπειρου μετάθεσης προς το ερυθρό.

ΣΤ. ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΗ ΜΕΛΑΝΩΝ ΟΠΩΝ

Μέχρι τώρα έχουμε εξετάσει μελανές οπές που έχουν μάζα και τίποτα άλλο. Γενικότερα, υπάρχουν τρεις βασικές ποσότητες που καθορίζουν μια μελανή οπή: μάζα, περιστροφή (στροφορμή), και το ηλεκτρικό φορτίο. Αυτές είναι οι ιδιότητες που μόνο επιβιώνουν, όταν η κατάρρευση του σώματος γίνεται μια μελανή οπή.
Ισχυρές συγκεντρώσεις του ηλεκτρικού φορτίου είναι σπάνιες στην αστρονομία επειδή εξουδετερωθεί εύκολα από ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια στο διαστρικό μέσο, και πιο μεγάλες μάζες τείνουν να είναι ηλεκτρικά ουδέτερες. Δε α διερευνήσουμε κατά συνέπεια, την επίδραση του ηλεκτρικού φορτίου στις μελανές οπές. Οι περιστροφές, όμως, είναι συχνές στην αστρονομία και δεν μπορούν να αγνοηθούν.
Σχεδόν όλη η ύλη στο σύμπαν έχει πάμπολλες περιστροφές. Τα αστέρια γενικά περιστρέφονται, και καθώς συμβληθούν περιστρέφονται όλο και πιο γρήγορα. Τα περισσότερα αστέρια φεύγουν εκτός, λόγω της φυγόκεντρης δύναμης που υπήρχε πολύ πιο πριν. Αλλά αστέρια προς το τέλος τους έχουν διάφορα τεχνάσματα για να απαλλαγούν από τη γρήγορη περιστροφή των πυρήνων τους. Τα νετρίνα που φεύγουν από τον πυρήνα κουβαλούν κάποια περιστροφή (στροφορμή), και οι πυρήνες επίσης ακινητοποιούνται από τις δυνάμεις ιξώδους και τα μαγνητικά πεδία που συνδέονται με την πιο αργή περιστροφή.
Με διάφορους τρόπους, ο πυρήνας επιτυγχάνει γρήγορη περιστροφή και συνεχίζει να καταρρέι γίνεται ένα αστέρι νετρονίων, ακόμα και μια μελανή οπή. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι τα αστέρια νετρονίων και οι μελανές οπές συνήθως γεννιούνται με γρήγορη περιστροφή, και κάποια αρχικά μπορούν να περιστρέφονται με 10000 περιστροφές το δευτερόλεπτο.
Το διάσπαρτο αέριο μεταξύ των άστρων είναι γενικά σε μια περιστροφική κατάσταση και δεν μπορεί να πέσει από μεγάλες αποστάσεις άμεσα σε μια μελανή οπή. Το αέριο αντί να συσσωρεύεται γύρω από μια μελανή οπή, περιστρέφεται με την μορφή δισκοειδούς σύννεφου. Αυτό το περιστρεφόμενο σύννεφο, που ονομάζεται ένα δίσκος προσαύξησης, υποστηρίζεται ενάντια στη βαρύτητα από την φυγόκεντρο δύναμη, όπως και τα δακτυλίδια του Κρόνου. Οι εσωτερικές περιοχές του δίσκου, σύμφωνα με το τρίτο νόμο του Κέπλερ, περιστρέφονται γύρω από τη μελανή οπή πιο γρήγορα από τις εξωτερικές περιοχές.

Η τριβή μέσα στο δίσκο φρενάρει τις εσωτερικές περιοχές και επιταχύνει τις εξωτερικές περιοχές. Ως αποτέλεσμα, ύλη στις εσωτερικές περιοχές του δίσκου περιστροφής χάνει σιγά- σιγά σπείρες προς τα μέσα μέχρι τη μελανή οπή, και η ύλη στις εξωτερικές περιοχές κερδίζει στροφορμή και σιγά-σιγά μεταφέρουν μακριά στο διάστημα προς τα έξω σπείρες πέραν της στροφορμής. Ο δίσκος προσαύξησης συνεχώς εμπλουτίζεται με φυσικό αέριο από μεγάλες αποστάσεις.

Ακόμη και αν μια μελανή οπή δεν είχε αρχικά καμία περιστροφή, θα αποκτήσει σύντομα περιστροφή από την προσαύξηση του στροβιλίζοντος αερίου. Οι δίσκοι συσσώρευσης ανάπτυσσονται σε περιοχές με αφθονία του φυσικού αερίου υπάρχουν, όπως κοντά δυαδικά συστήματα και στους πυρήνες των γαλαξιών.
Ο Karl Schwarzschild το 1916 έλυσε την εξίσωση του Αϊνστάιν για τον εξωτερικό χωρόχρονο μιας μη περιστρεφόμενης μελανής οπής. Ο Roy Kerr το 1963, έλυσε την εξίσωση του Αϊνστάιν για το εξωτερικό του χωροχρόνου μιας περιστρεφόμενη μελανής οπής. Η μετρική Kerr, δεν είναι τόσο απλή όσο η Schwarzschild. Κατά τη συζήτηση για τις μη περιστρεφόμενες μελανές οπές είδαμε ότι η καμπυλότητα του χωρόχρονου προκαλεί τον μελλοντικό κώνο φωτός να γέρνει προς την κατεύθυνση της μελανής οπής.

Έχουμε φανταστεί προηγουμένως χώρο που ρέει σε μια μη περιστρεφόμενη μελανή οπή δημιουργώντας έναν ορίζοντα γεγονότων στην επιφάνεια Schwarzschild όπου ο χώρος ρέει προς τα μέσα με την ταχύτητα του φωτός. Τώρα πρέπει να φανταστούμε ότι ο χώρος περιστρέφεται επίσης σαν μια δίνη που ρέει προς τα μέσα σε μια περιστρεφόμενη μελανή οπή. Τα σωματίδια που αλιεύονται στη δίνη όλο και πέφτουν προς τα μέσα.
Μπορούμε να απεικονίσουμε πιο εύκολα τι συμβαίνει με τη χρήση σημείων και κύκλων μετώπου. Σε μεγάλες αποστάσεις από μια περιστρεφόμενη μελανή οπή, ο χώρος είναι επίπεδος και το στατικό σημείο εκπομπής βρίσκεται στο κέντρο του κύκλου μετώπου. Κοντά στη μελανή οπή οι ακτίνες που εκπέμπονται από το σημείο σέρνονται προς τα μέσα και γύρω, και κατά συνέπεια ο κύκλος μετώπου μετατοπίζεται εν μέρει στο καθεστώς της ενεργητικής κατεύθυνσης και εν μέρει προς την κατεύθυνση της περιστροφής. Η κατάσταση αυτή αποτελεί δύο σαφώς διαφορετικές επιφάνειες για τη μελανή οπή.

Η πρώτη επιφάνεια, γνωστή ως στατικό όριο επιφάνειας (ή απλώς η στατική επιφάνεια), είναι ο χώρος όπου ρέει με την ταχύτητα του φωτός. Σε αυτή την επιφάνεια τα στατικά σημεία εκπομπής βρίσκονται στις άκρες του κύκλου μετώπου. Η δεύτερη επιφάνεια είναι ο ορίζοντας των γεγονότων, όπου ο χώρος ρέει προς τα μέσα στην ακτινική κατεύθυνση με την ταχύτητα του φωτός. Σε αυτήν την επιφάνεια όλα τα σημεία εκπομπής και οι κύκλοι μετώπου αγγίζουν τον ορίζοντα. Η εξωτερική στατική επιφάνεια έχει το σχήμα ενός πεπλατυσμένου (ισοπεδωμένου) σφαιροειδούς, και μια ισημερινή ακτίνα ίση με την ακτίνα Schwarzschild. Είναι η επιφάνεια του χώρου όπου ρέει με την ταχύτητα του φωτός, και ένα σωματίδιο, σταθερό σε αυτή τη ροή του χώρου, παρασύρονται με την ταχύτητα του φωτός σε σχέση με το μακρινό παρατηρητή. Αν το σωματίδιο κινείται κατά τη ροή του χώρου με την ταχύτητα του φωτός παραμένει στατικό σε αυτή την επιφάνεια, εξού και το όνομα στατική επιφάνεια. Οι κύκλοι μετώπου κύματος προεξέχουν από τον στατικό κύκλο, και μερικές ακτίνες του φωτός μπορεί, συνεπώς, να διαφεύγουν στο άπειρο. Μέσα από το στατικό χώρο επιφάνειας ρέει πιο γρήγορα από το φως, και ένα σωματίδιο, ανεξάρτητα από το πόσο γρήγορα κινείται κόντρα στο ρεύμα, παρασύρεται πάντα και δεν μπορεί ποτέ να είναι σταθερό σε σχέση με τον μακρινό παρατηρητή.

Η εσωτερική επιφάνεια, ο ορίζοντας των γεγονότων, έχει σφαιρικό σχήμα. Σε όλη την επιφάνεια του χώρου αυτού μετακινείται προς τα μέσα με μια ακτινική συνιστώσα της ταχύτητας που ισοδυναμεί με την ταχύτητα του φωτός. Οι ακτίνες του φωτός που ταξιδεύουν προς οποιαδήποτε κατεύθυνση δεν μπορούν να ξεφύγουν προς τον έξω κόσμο. Και οι δύο επιφάνειες, η στατική και η επιφάνεια του ορίζοντα γεγονότων, είναι σε επαφή με τους πόλους. Σε μια μη περιστρεφόμενη μελανή οπή, οι δύο επιφάνειες συγχωνεύονται και έχουν τη σφαιρική διαμόρφωση Schwarzschild. Καθώς αυξάνεται η περιστροφή, ο ορίζοντας γεγονότων συρρικνώνεται σε μια μικρότερη ακτίνα, και στο μέγιστο της περιστροφής, έχει το μισό της αξίας ακτίνα Schwarzschild. Στο μέγιστο της περιστροφής στον ισημερινό του ορίζοντα γεγονότων περιστρέφεται με την ταχύτητα του φωτός σε σχέση με το μακρινό παρατηρητή.

Μεταξύ του ορίζοντα γεγονότων και της στατικής επιφάνειας κρύβεται μια περιοχή που είναι γνωστή ως εργόσφαιρα. Αποτελείται από στροβιλίζοντα χώρο που κινείται σπειροειδώς προς το εσωτερικό του ορίζοντα. Ο χώρος στην εργόσφαιρα ρέει γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός, αλλά η προς τα μέσα ακτινική συνιστώσα της ταχύτητας της ροής είναι μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός. Στατικά σημεία βρίσκονται έξω από τους κύκλους μετώπου τους, αλλά μερικές ακτίνες μπορούν να συνεχίζουν να κινούνται προς τα έξω και να ξεφύγουν προς τον έξω κόσμο. Ο Roger Penrose του Birkbeck College του Λονδίνου, έδειξε ότι κατ ‘αρχήν είναι δυνατόν να αποκτήσουν ενέργεια στην εργόσφαιρα από την μελανή οπή. Ένα αντικείμενο που ρίχνεται στην εργόσφαιρα, χωρίζεται σε δύο μέρη, ένα κομμάτι προς τα πίσω κατά τη περιστροφή και το άλλο κινείται προς τα εμπρός με αύξηση ενέργειας. Το πρώτο κομμάτι βουτάει στον ορίζοντα γεγονότων, και το δεύτερο δραπετεύει σε όλη την στατική ενέργεια που προέρχεται από την ενέργεια περιστροφής της μελανής οπής.
Μερική από τη μάζα της μελανής οπής οφείλεται αποκλειστικά στην ενέργεια περιστροφής της. Μια μελανή οπή έχει μέγιστο της περιστροφής 0.29 από την περιστροφική ενέργεια, και αυτό είναι το μέγιστο ποσό της μάζας που μπορεί να εξαχθεί ως ενέργεια από τη μέθοδο Penrose.
Στο μέγιστο της περιστροφής του ορίζοντα γεγονότων έχει μια ακτίνα το μισό της Schwarzschild. Η επιφάνεια του στον ισημερινό περιστρέφεται με την ταχύτητα του φωτός, και πέφτει προς το εσωτερικό χώρο με την ταχύτητα του φωτός. Ας υποθέσουμε ότι θα ήταν δυνατόν να αυξήσει την περιστροφή ακόμη περισσότερο. Ο ορίζοντας θα εξαφανιζόταν! Στην πραγματικότητα, η ταχύτητα περιστροφής θα αυξηθεί, αλλά η ταχύτητα της προς τα μέσα που ρέει χώρο θα μειώσει και θα είναι μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός.

Ζ. ΥΠΕΡΜΕΓΕΘΕΙΣ ΟΠΕΣ

Μόλις γεννηθεί, μια μελανή οπή μεγαλώνει με την επικάθηση μεγέθους Brobdingnagian, και σταματά την ανάπτυξή της μόνο όταν η προσφορά της ύλης γίνεται εξαντληθεί. Στον πυρήνα των γιγάντιων γαλαξιών, όπου αφθονούν τα αστέρια και τα νέφη αερίου, οι δυνατότητες είναι φοβερές. Οι μελανές οπές έλκουν τσ αέρια συντρίμμια των διαταρασσομένων αστεριών και “καταπίνουν” ακόμα η μία την άλλη. Θα διογκωθούν σε μεγάλες οπές χιλιάδων, εκατομμυρίων, και ίσως ακόμη και δισεκατομμυρίων ηλιακών μαζών. Το συμπιεσμένο αέριο που θερμαίνεται προς τη μελανή οπή ακτινοβολεί ενέργεια. Η εκπεμπόμενη ενέργεια μπορεί να είναι τόσο μεγάλη εώς και 40 τοις εκατό της μάζας του αερίου. Αυτή η μετατροπή της μάζας σε ενέργεια είναι πολύ πιο αποτελεσματική από τη μετατροπή ενός τοις εκατό πυρηνικών αντιδράσειων. Η απελευθερωμένη ενέργεια καλύπτει ένα ευρύ φάσμα της οπτικής, υπεριώδους, και ακτινοβολία με ακτίνες Χ, και μπορεί να περιλαμβάνει και την υπέρυθρη ακτινοβολία από τα σύννεφα σκόνης.
Μεγάλες οπές εκατοντάδων εκατομμυρίων ηλιακών μαζών μπορoύν να αναπτυχθούν σε εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια στους πυρήνες των γιγαντιαίων γαλαξιών, και ενώ η απελευθερώνουν αυξανόμενα ενέργεια συνεχώς σε ένα τεράστιο ποσοστό. Μια συσσωρευμέν μεγάλη οπή μπορεί να εκπέμψει περισσότερη ενέργεια από ένα ολόκληρο γαλαξία από φωτεινά αστέρια..Οι βαρυτικές δυνάμεις της μελανής οπής μπορεί να σκίσουν ένα σώμα, όπως ένας πλανήτης ή ένα αστέρι, όταν είναι ισχυρότερες από τη βαρύτητα που κρατά το σώμα μαζί. Ως γενικό κανόνα, μπορούμε να πούμε ότι ένας οργανισμός που κρατιέται από τη δική του βαρύτητά, διαταράσσεται, όταν η μέση πυκνότητά του είναι μικρότερη από την πυκνότητα της μελανής οπής. Το μέγεθος μιας μελανής οπής είναι ανάλογο με τη μάζα της, και αυτό σημαίνει ότι η πυκνότητα της είναι αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της πυκνότητας της μάζας:

Έτσι, μια μελανή οπή 108 ηλιακών μαζών έχει πυκνότητα μόνο 1 γραμμάριο ανά κυβικό εκατοστό. Οι μελανές οπές πάνω από 3 δισεκατομμυρίων ηλιακών μαζών έχουν πυκνότητα μικρότερη από τη γήινη ατμόσφαιρα στο επίπεδο της θάλασσας. Ένα αστέρι παρόμοιο με τον Ήλιο, με πυκνότητα 1 γραμμάριο ανά κυβικό εκατοστό, διαταράσσεται από βαρυτικές δυνάμεις, όταν πλησιάζει κοντά σε μια μελανή οπή μάζας τουλάχιστον 108 ηλιακών μαζών. Τα αέρια συντρίμμι των αστεριών συσσωρεύονται στον δίσκο προσαύξησης και τελικά καταλήγουνι στη μελανή οπή. Το αέριο, συμπιέζεται καθώς αποστραγγίζεται προς τα μέσα, ακτινοβολώντας ενέργεια.

Αλλά όταν η μάζα έχει αυξηθεί σε σημείο όπου η βαρυτική διατάραξη των άστρων παύει, και η μελανή οπή έχει καταπιεί όλο το αστέρι, η παραγωγή ενέργειας μειώνεται. Τα αστέρια πλησιάζουν τις μελανές οπές μεγαλύτερων από 108 ηλιακές μάζες επιβιώνοντας κάνοντας “βουτιά” χωρίς να απελευθερώνει πολύ μεγάλο ποσό ενέργειας.

Ένα διαστημόπλοιο θα μπορούσε να βυθιστεί σε μια μεγάλη οπή εκατομμυρίων ηλιακών μαζών χωρίς οι επιβαίνοντες να αντιμετωπίζουν μεγάλη δυσφορία από τις βαρυτικές δυνάμεις. Στην περίπτωση της μεγάλης οπής πολύ μεγαλύτερης μάζας οι επιβαίνοντες αρχικά μπορεί να μην γνωρίζουν καν ότι είχαν περάσει τον ορίζοντα γεγονότων.

Η. ΜΙΚΡΕΣ ΟΠΕΣ

Όλες οι μελανές οπές που έχουν συζητηθεί μέχρι στιγμής έχουν μάζα μεγαλύτερη από εκείνη του Ήλιου, και είναι απίθανο ότι οι μελανές οπές πολύ μικρότερης μάζας έχουν κατασκευαστεί ποτέ από βαρυτική κατάρρευση. Ένας πλανήτης, όπως η Γη, για παράδειγμα, δεν μπορεί ποτέ να καταρρεύσει και να γίνει μια μελανή οπή, επειδή η βαρύτητα σε αυτά τα μικρότερα σώματα δεν είναι αρκετά ισχυρή ώστε να ξεπεράσει την πίεση κλίση δυνάμεις που ασκούνται από την ύλη.
Ωστόσο, θεωρητικά, οι μελανές οπές από ένα ευρύ φάσμα των μαζών δημιουργήθηκαν στο πρώιμο σύμπαν. Στα πρώτα στάδια της επέκτασης η πυκνότητα του σύμπαντος ήταν εξαιρετικά υψηλή, και οι κοσμολόγοι εικάζουν ότι οι μελανές οπές μπορεί να έχουν σχηματιστεί όταν οι πυκνότητες τους ήταν συγκρίσιμες με την πυκνότητα του σύμπαντος. Έτσι, ο σχηματισμός των αρχέγονων μελανών οπών δεν εξαρτάται από την καταστροφική κατάρρευση σε χαμηλή πυκνότητα. Μια μελανή μάζας Μ σε κατά προσέγγιση χρόνο

Κατά τη χρονική στιγμή t ενός μικροδευτερόλεπτου λ, Μ=0, l ηλιακή μάζα, και σε χρόνο ενός picosecond, Μ=10-7 ηλιακής μάζας (περίπου 0,1 της μάζας της Γης). Ο σχηματισμός των αρχέγονων μελανών οπών εξαρτάται από τη φύση των συνθηκών που επικρατούν στο πρώιμο σύμπαν, και το βαθμό στον οποίο η πραγματική μορφή είναι ακόμα αβέβαιη.
Μια αρχέγονη μελανή οπή ακτίνας R εκατοστών έχει μάζα Μ=10²⁸R γραμμαρίων.
Οι μικρές οπές στο μέγεθος ενός ατόμου (10^-8 εκατοστών) έχουν μάζα 10²⁰ γραμμαρίων και ζυγίζουν πάνω στη Γη 100 τρισεκατομμύρια τόνους (το βάρος ενός μικρού βουνού). Μικρές οπές μέγεθους νουκλεονίων (10^-13 εκατοστών) έχουν μάζα 10¹⁵ γραμμάρια και ζυγίζει στην Γη 1 δισ. τόνους. Σημειώστε ότι αν διαιρέσουμε την ακτίνα μιας μικρής οπής με την ταχύτητα του φωτός παίρνουμε περίπου την ηλικία του σύμπαντος τη στιγμή που δημιουργήθηκε, όπως δίνεται από την παραπάνω εξίσωση.
Οι μικρότερες από όλες τις μικρές οπές σχηματίζονται κατά τη διάρκεια των πολύ πρώτων στιγμών του σύμπαντος και είναι οι κβαντικές μελανές οπές μάζας Planck 10⁵ γραμμαρίων μέγεθος 10^-33 εκατοστών. Αυτές οι αρχέγονες μικρές κβαντικές τρύπες έχουν μάζα περίπου 10²⁰ φορές της μαζας του νουκλεόνιου και μέγεθος 10²⁰ νουκλεονίων, και είναι εξαιρετικά απίθανο ότι σήμερα υπάρχουν στο σύμπαν. Μικρές τρύπες ατομικού μεγέθους ή μικρότερου δεν προσαυξάνουν εύκολα. Έτσι μια τέτοια μικρή οπή θα μπορούσε να περάσει εύκολα μέσα από τη Γη, και η μάζα του, 100 τρις τόνοι, θα αυξηθεί μόνο κατά 1 μικρογραμμάριο.
Ενδεχομένως το σύμπαν να περιέχει αρχέγονες μελανές οπές, όχι μόνο μικροσκοπικές οπές ατομικού μεγέθους ή μικρότερου, αλλά επίσης και μελανές οπές μεγαλύτερης μάζας.

Θ. ΠΤΩΣΗ ΣΩΜΑΤΟΣ ΜΕΣΑ ΣΕ ΜΕΛΑΝΗ ΟΠΗ

Όπως θα έχετε όλο και πιο κοντά στο κέντρο της τρύπας, όμως, θα αρχίσετε να αισθάνεστε «παλιρροϊκό» βαρυτικές δυνάμεις. Φανταστείτε ότι τα πόδια σας είναι πιο κοντά στο κέντρο από το κεφάλι σας. Η βαρυτική έλξη γίνεται ισχυρότερη, όπως θα έχετε πιο κοντά στο κέντρο της τρύπας, έτσι ώστε τα πόδια σας να αισθανθεί μια ισχυρότερη έλξη από το κεφάλι σας κάνει. Ως αποτέλεσμα αισθάνεστε «τεντώνεται». (Αυτή η δύναμη ονομάζεται παλιρροιακή δύναμη, διότι είναι ακριβώς όπως τις δυνάμεις που προκαλούν τις παλίρροιες στη Γη.) Αυτές οι παλιρροιακές δυνάμεις παίρνουν όλο και πιο έντονος, όπως θα έχετε πιο κοντά στο κέντρο, και τελικά θα σας διαρρήξουν.
Για μια πολύ μεγάλη μελανή οπή, όπως αυτή που είστε σε, το παλιρροιακές δυνάμεις δεν είναι πραγματικά αισθητή μέχρι να φτάσετε σε απόσταση περίπου 600.000 χιλιομέτρων από το κέντρο. Σημειώστε ότι αυτό είναι αφού έχετε περάσει τον ορίζοντα. Εάν επρόκειτο να περιέλθουν σε μια μικρότερη μελανή οπή, ας πούμε ένα που ζύγιζε όσο ο ήλιος, παλιρροιακές δυνάμεις θα αρχίσουν να σας κάνουν να είναι αρκετά άβολα όταν ήταν περίπου 6000 χιλιόμετρα μακριά από το κέντρο, και εσείς θα σπαράσσεται από τους longπριν διασχίσει τον ορίζοντα. (Γι ‘αυτό αποφασίσαμε να σας αφήσει να πηδήσει σε μια μεγάλη μελανή οπή αντί για μια μικρή: θα θέλαμε να επιβιώσει τουλάχιστον μέχρι να έχεις μέσα.)
Τι βλέπετε όπως πέφτετε μέσα; Παραδόξως, δεν μπορείτε να δείτε κατ ‘ανάγκη κάτι ιδιαίτερα ενδιαφέρον. Εικόνες των μακρινών αντικειμένων μπορεί να διαστρεβλωθεί με περίεργο τρόπο, αφού βαρύτητα κάμπτει το φως της μελανής οπής, αλλά ότι είναι γι ‘αυτό.Ειδικότερα, τίποτα το ιδιαίτερο που συμβαίνει αυτή τη στιγμή, όταν διασχίζουν τον ορίζοντα.Ακόμα και αφού έχετε περάσει τον ορίζοντα, μπορείτε ακόμα να δείτε τα πράγματα στο εξωτερικό: μετά από όλα, το φως από τα πράγματα που στο εξωτερικό μπορεί να φτάσει ακόμα. Κανείς στο εξωτερικό μπορεί να σας δει, βέβαια, δεδομένου ότι το φως από εσάς δεν μπορεί να ξεφύγει από το παρελθόν από τον ορίζοντα.
Πόσο διαρκεί η όλη διαδικασία παίρνει; Λοιπόν, φυσικά, εξαρτάται από το πόσο μακριά θα ξεκινήσει από. Ας πούμε ότι έχετε ξεκινήσει σε κατάσταση ηρεμίας από ένα σημείο των οποίων η απόσταση από τη μοναδικότητα είναι δέκα φορές την ακτίνα της μελανής οπής. Στη συνέχεια, για μια ένα εκατομμύριο ηλιακές μάζες μελανή οπή, που θα διαρκεί περίπου 8 λεπτά για να φτάσει στον ορίζοντα. Μόλις φτάσει τόσο μακριά, θα χρειαστείτε μόνο άλλες επτά δευτερόλεπτα για να χτυπήσει τη μοναδικότητα. Με την ευκαιρία, αυτή τη φορά κλίμακες με το μέγεθος της μελανής οπής, οπότε αν θέλετε πήδηξε σε μια μικρότερη μελανή οπή το χρόνο του θανάτου σας θα είναι ότι πολύ νωρίτερα.
Αφού διέσχισε τον ορίζοντα, το υπόλοιπο επτά δευτερόλεπτα σας, μπορείτε να τον πανικό και να αρχίσει στη φωτιά πυραύλους σας σε μια απελπισμένη προσπάθεια να αποφύγουν τη μοναδικότητα. Δυστυχώς, είναι απελπιστική, αφού η μοναδικότητα έγκειται στο μέλλον σας, και δεν υπάρχει κανένας τρόπος να αποφευχθεί το μέλλον σας. Στην πραγματικότητα, τόσο πιο δύσκολο θα φωτιά πυραύλους σας, τόσο πιο γρήγορα θα χτυπήσει τη μοναδικότητα. Το καλύτερο είναι απλά να καθίσετε και να απολαύσετε τη βόλτα.
Στην πραγματικότητα, περισσότερο ή λιγότερο το ίδιο πράγμα μπορεί να ειπωθεί για το υλικό που σχηματίζεται η μελανή οπή στην πρώτη θέση. Ας υποθέσουμε ότι η μελανή οπή σχηματίζεται από ένα καταρρέον αστέρι. Καθώς το υλικό που προορίζεται να αποτελέσει τη μελανή οπή καταρρέει, Πηνελόπη βλέπει το πάρει όλο και μικρότερα, πλησιάζει, αλλά ποτέ δεν φθάνει αρκετά Schwarzschild ακτίνα του. Αυτός είναι ο λόγος που οι μελανές οπές είχαν αρχικά ονομαστεί κατεψυγμένα αστέρια: επειδή φαίνονται να έχουν «παγώσει» σε μέγεθος ελαφρώς μεγαλύτερο από την ακτίνα Schwarzschild.

Γιατί η ίδια βλέπει τα πράγματα με αυτόν τον τρόπο; Ο καλύτερος τρόπος για να σκεφτώ είναι ότι είναι πραγματικά ακριβώς μια οπτική ψευδαίσθηση. Δεν παίρνει πραγματικά ένα άπειρο χρονικό διάστημα για τη μελανή οπή για να διαμορφώσει, και δεν λαμβάνει πραγματικά ένα άπειρο χρονικό διάστημα για να διασχίζουν τον ορίζοντα.(Αν δεν με πιστεύετε, απλώς προσπαθήστε άλμα μέσα! Θα σε όλον τον ορίζοντα σε οκτώ λεπτά, και συνθλίβονται μέχρι θανάτου μόλις δευτερόλεπτα αργότερα.) Όπως θα έχετε όλο και πιο κοντά στον ορίζοντα, το φως που είστε εκπέμπουν διαρκεί περισσότερο και περισσότερο χρόνο για να σκαρφαλώσει πάλι έξω για να φτάσει Πηνελόπη. Στην πραγματικότητα, η ακτινοβολία που εκπέμπουν δεξιά καθώς διασχίζουν τον ορίζοντα θα αιωρείται εκεί στον ορίζοντα για πάντα και ποτέ μαζί της. Έχετε πολύς καιρός από τότε πέρασε από τον ορίζοντα, αλλά το φωτεινό σήμα λέγοντάς της ότι δεν θα την φτάσει για μια απείρως μεγάλο χρονικό διάστημα.
Υπάρχει ένας άλλος τρόπος να εξετάσουμε αυτό το σύνολο των επιχειρήσεων. Κατά μία έννοια, ο χρόνος πραγματικά να περάσει πιο αργά κοντά στον ορίζοντα από ό, τι μακριά.Ας υποθέσουμε ότι παίρνετε διαστημόπλοιο σας και βόλτα κάτω σε ένα σημείο λίγο έξω από τον ορίζοντα, και στη συνέχεια απλά αιωρείται εκεί για μια στιγμή (καύση τεράστιων ποσοτήτων καυσίμων για τον εαυτό σας κρατήσει από την πτώση in). Στη συνέχεια θα πετάξει πίσω έξω και να επανέλθει στο Πηνελόπη. Θα διαπιστώσετε ότι έχει ηλικία πολύ μεγαλύτερη από ό, τι κατά τη διάρκεια της όλης διαδικασίας? Χρόνος περνά πιο αργά για σένα ό, τι για εκείνη.
Έτσι, ποια από αυτές τις εξηγήσεις δύο (η οπτική ψευδαίσθηση-το ένα ή το χρόνο- επιβράδυνση μία) είναι πραγματικά έτσι;Η απάντηση εξαρτάται από το τι σύστημα συντεταγμένων που χρησιμοποιείτε για να περιγράψει τη μελανή οπή. Σύμφωνα με το σύνηθες σύστημα συντεταγμένων, που ονομάζεται “Schwarzschild συντεταγμένες,” θα διασχίζουν τον ορίζοντα, όταν ο χρόνος συντονισμό t είναι άπειρο. Έτσι, σε αυτές τις συντεταγμένες που κάνει πραγματικά να έχετε άπειρο χρόνο να διασχίσουν τον ορίζοντα.Αλλά ο λόγος για αυτό είναι ότι Schwarzschild συντεταγμένες παρέχει μια εξαιρετικά λανθασμένη εικόνα του τι συμβαίνει κοντά στον ορίζοντα. Στην πραγματικότητα, ακριβώς στον ορίζοντα είναι οι συντεταγμένες απείρως παραμορφωμένη (ή, για να χρησιμοποιήσει τη βασική ορολογία, «μοναδικό»).Αν επιλέξετε να χρησιμοποιήσετε συντεταγμένες που δεν είναι μοναδική κοντά στον ορίζοντα, τότε θα διαπιστώσετε ότι ο χρόνος όταν διασχίζουν τον ορίζοντα είναι πράγματι περιορισμένη, αλλά τη στιγμή που η Πηνελόπη βλέπει να διασχίζουν τον ορίζοντα είναι άπειρη. Πήρε την ακτινοβολία ένα άπειρο χρονικό διάστημα για να την φτάσει. Στην πραγματικότητα, όμως, έχετε τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσετε είτε το σύστημα συντεταγμένων, έτσι και οι δύο εξηγήσεις είναι έγκυρες. Είναι απλά διαφορετικοί τρόποι για να πούμε το ίδιο πράγμα.
Στην πράξη, θα γίνει πραγματικά αόρατη Πηνελόπη πριν από πάρα πολύ χρόνο έχει περάσει. Για ένα πράγμα, το φως είναι “redshifted” σε μεγαλύτερα μήκη κύματος καθώς αυξάνεται μακριά από τη μελανή οπή. Έτσι, εάν είστε εκπέμπουν ορατό φως σε κάποιο συγκεκριμένο μήκος κύματος, η Πηνελόπη θα δει το φως σε κάποιες μεγαλύτερο μήκος κύματος. Τα μήκη κύματος πάρει πλέον και πλέον, όπως θα έχετε όλο και πιο κοντά στον ορίζοντα. Τελικά, δεν θα είναι ορατό φως σε όλα: θα είναι υπέρυθρη ακτινοβολία, στη συνέχεια, τα ραδιοκύματα. Σε κάποιο σημείο τα μήκη κύματος θα είναι τόσο πολύ ότι θα είναι σε θέση να τις τηρούν. Επιπλέον, θυμηθείτε ότι το φως εκπέμπεται σε επιμέρους πακέτα που ονομάζονται φωτόνια. Ας υποθέσουμε ότι είστε εκπέμπουν φωτόνια ως πέσετε παρελθόν από τον ορίζοντα. Σε κάποιο σημείο, θα εκπέμπει το τελευταίο φωτόνιο σας, πριν περάσετε από τον ορίζοντα. Αυτό φωτόνιο θα φτάσει Πηνελόπη σε κάποιο πεπερασμένο χρονικό διάστημα – συνήθως λιγότερο από μία ώρα για την ένα εκατομμύριο ηλιακών μαζών μελανή οπή – και μετά από αυτό ποτέ δεν θα είναι σε θέση να σας ξαναδούμε. (Μετά από όλα, κανένα από τα φωτόνια που εκπέμπουν μετά περνούμ τον ορίζοντα θα πάρουν πάντα σε αυτήν. Αλλά εφ ‘όσον μένετε έξω από τον ορίζοντα, μπορείτε να αποφύγετε αναρρόφηση Στην πραγματικότητα, σε κάποιον και έξω από τον ορίζοντα, το βαρυτικό πεδίο γύρω από μια μελανή οπή δεν είναι διαφορετικό από το πεδίο γύρω από οποιοδήποτε άλλο αντικείμενο από την ίδια μάζα . Με άλλα λόγια, ενός ηλιακής μάζας μελανή οπή δεν είναι καλύτερη από οποιαδήποτε άλλη μία ηλιακή μάζα αντικείμενο (όπως, για παράδειγμα, ο Ήλιος) στο “πιπίλισμα στο” μακρινά αντικείμενα.

Ι. ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ HAWKING

Το 1973, ο Steven Hawking, ύστερα από θεωρητικούς υπολογισμούς, εξέπληξε τον επιστημονική κοινότητα καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι οι μελανές οπές δεν είναι και τόσο μαύρες. Εκπέμπουν ακτινοβολία και μετά από παρέλευση πολλών δισεκατομμυρίων ετών εκρήγνυνται και μετατρέπονται σε λευκές τρύπες.
Εικονικά σωματίδια
Σύμφωνα με ορισμένες αρχές της κβαντομηχανικής, η πιθανότητα να εμφανιστεί ένα γεγονός είναι πάντα μεγαλύτερη από το μηδέν. Μία από τις πιο παράξενες συνέπειες αυτής της ιδέας είναι ότι αυτό που νομίζουμε σαν “άδειο” ή “κενό” χώρο δεν είναι στην πραγματικότητα καθόλου κενός. Τον γεμίζουν μια θάλασσα εικονικών (virtual) βραχύβιων σωματιδίων – μικρά κβαντικά σωματίδια που μεταφέρουν ακτινοβολία και βαρύτητα – που είναι σχεδόν, αλλά όχι εντελώς, πραγματικά.
Παρ’ ότι είναι πλασματικά, τα εικονικά σωματίδια διαδραματίζουν ένα ζωτικής σημασίας ρόλο στη φυσική της κβαντικής κλίμακας για το πώς λειτουργεί το σύμπαν. Για παράδειγμα, είναι απαραίτητα για να εξηγήσουν πώς τα φωτόνια και τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν.
Κάτω από κανονικές συνθήκες, τα εικονικά σωματίδια σπάνια εμφανίζουν κάποια άξια λόγου αποτελέσματα. Σε ορισμένα ασυνήθιστα περιβάλλοντα, όπως είναι τα ισχυρά βαρυτικά πεδία – που παράγονται από μελανές οπές, μπορούν να “δανειστούν” ενέργεια από το γειτονικό τους χώρο και να γίνουν προσωρινά πραγματικά σωματίδια.
Όταν τα εικονικά σωματίδια φανερωθούν, εμφανιστούν δηλαδή στον πραγματικό κόσμο, πρέπει να είναι σε μορφή ζεύγους, ενός σωματίου και του αντισωματίου του. Αυτά μετά από ένα απειροελάχιστο χρόνο εξαϋλώνονται και απελευθερώνουν την ενέργειά τους πίσω στο κενό.
Τα εικονικά σωματίδια σε μια μελανή οπή
Εντούτοις, είναι δυνατό τα εικονικά σωματίδια να δανειστούν ενέργεια από μια μελανή οπή και να ‘υλοποιηθούν’ (να γίνουν πραγματικά) ακριβώς στην άκρη του ορίζοντα γεγονότος μιας μελανής οπής. Δηλαδή, το όριο που χωρίζει το “εσωτερικό” από το “εξωτερικό” χώρο μιας μελανής οπής.
Όταν αυτό συμβεί, το ένα σωμάτιο μερικές φορές πέφτει μέσα στη μελανή οπή (προς το χώρο της ανωμαλίας ή ιδιομορφίας), ενώ το άλλο διαφεύγει.
Το αποτέλεσμα; Χωρίς τον εικονικό συνεργάτη του, το σωματίδιο που διαφεύγει γίνεται πραγματικό σωματίδιο και μεταφέρει μακριά (έξω από τη μελανή οπή) ένα πολύ μικρό μέρος της μάζας – ενέργειας της μελανής οπής. Έτσι αυτό το σωματίδιο καταναλίσκει περισσότερη ενέργεια από αυτή που έχει, και έτσι συνεισφέρει “αρνητική ενέργεια” στη μελανή οπή.
Μπορεί τώρα, σε ένα μεγάλο χρονικό διάστημα, πολλαπλάσιου της ηλικίας του σύμπαντος (10⁶⁷ χρόνια!), η μελανή οπή τελικά να εξατμιστεί, χάνοντας όλη της την ενέργεια, χάρις στα διαφυγόντα σωματίδια.

Αυτά τα σωματίδια εμφανίζονται σε μας ως να είναι ακτινοβολία που προέρχεται από τη μελανή οπή. Δηλαδή, η ακτινοβολία Hawking.
Ο Hawking έφτασε στο συμπέρασμα αυτό, αφού κατόρθωσε να συνδυάσει τρεις τομείς της Φυσικής, που μέχρι τότε πίστευαν ότι δεν είχαν μεγάλη σχέση μεταξύ τους: την θεωρία της σχετικότητας, την κβαντομηχανική και την θερμοδυναμική. Για να την αποδείξει βασίστηκε και στο γνωστό “φαινόμενο σήραγγας” της κβαντομηχανικής.
Οι θεωρίες μας λένε ότι όσο μικρότερη μάζα έχει μια μελανή οπή, τόσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία της. Αντίθετα, οι μεγάλες μελανές οπές έχουν πολύ χαμηλή θερμοκρασία.
Όταν λοιπόν η μελανή οπή εκπέμπει ενέργεια – σύμφωνα με τις θεωρίες του Hawking – η μάζα της ελαττώνεται και, ως εκ τούτου, η θερμοκρασία της αυξάνεται.
Αυτό έχει σαν συνέπεια, να εκπέμπει ενέργεια με ταχύτερο ρυθμό και να γίνεται θερμότερη και μικρότερη. Η ελάττωση της μάζας επιταχύνεται προοδευτικά, όσο πιο μικρή και θερμή γίνεται. Όταν φτάσει στα τελευταία δευτερόλεπτα της ζωής της, θα εκραγεί και το ποσόν ενέργειας που θα απελευθερωθεί, ισοδυναμεί με την έκρηξη βόμβας δισεκατομμυρίων μεγατόνων. Μια τέτοια έκρηξη θα παρατηρηθεί ακόμα και σε μια απόσταση πολλών ετών φωτός.
Αντιστρέφοντας, χρονικά, τη διαδικασία της κατάρρευσης της ύλης σε μία ανωμαλία, έχουμε μια νέα διαδικασία: τη δημιουργία ύλης από την ανωμαλία μιας μελανής οπής. Αυτή η ύλη, που αναδύεται από την ανωμαλία και διαστέλλεται, ονομάζεται “λευκή τρύπα” (white hole).
Οι λευκές τρύπες συμπεριφέρονται ακριβώς αντίστροφα απ’ ό,τι οι μελανές οπές, δηλαδή εκτοξεύουν ύλη αντί να την απορροφούν. Επίσης, η λευκή τρύπα, αντίθετα από τη μελανή, δεν έχει ορίζοντα γεγονότων.

Σημειωτέον η λευκή τρύπα προβλέπεται από τις εξισώσεις της γενικής θεωρίας της σχετικότητας ως μια χρονική αντιστροφή της κατάρρευσης ενός σώματος λόγω βαρύτητας.
Η θεωρία του Zel’dovich
Πρέπει όμως να τονίσουμε ότι ο πρώτος που μίλησε για την ακτινοβολία των μελανών οπών ήταν το 1965 ο Σοβιετικός φυσικός Yakov Borisovich Zel’dovich. Ο Zel’dovich ισχυρίστηκε ότι η δημιουργία μιας μελανής οπής δεν αφήνει ίχνη. Μάλιστα του αποδίδεται και η φράση “οι μελανές οπές δεν έχουν μαλλιά”. Η φράση αυτή σημαίνει ότι η μελανή οπή γίνεται ένα σώμα χωρίς ταυτότητα, και το μόνο που την χαρακτηρίζει είναι το φορτίο, η μάζα και η στροφορμή της.
Είχε υποστηρίξει ότι οι μελανές οπές ακτινοβολούν κι ότι αιτία γι’ αυτή την ακτινοβολία είναι οι βαρυτικές διακυμάνσεις του κενού κοντά στον ορίζοντα γεγονότων μιας μελανής οπής. Οι διακυμάνσεις αυτές, που είναι τυχαίες και πολύ μικρές, είναι ένα κβαντικό φαινόμενο που ανακαλύφθηκε τη δεκαετία του ’60 από τον Wheeler.
Αυτές οι διακυμάνσεις – στη γειτονιά του ορίζοντα γεγονότων μιας περιστρεφόμενης μελανής οπής – παράγουν βαρυτικά κύματα που κατευθύνονται προς αυτή. Ένα μέρος του κύματος απορροφάται από την οπή και το υπόλοιπο διαφεύγει στο διάστημα. Η συχνότητα του αρχικού βαρυτικού κύματος, που δημιουργήθηκε από το κενό, είναι τέτοια που το τμήμα που απορροφήθηκε να έχει αρνητική ενέργεια. Έτσι, το υπόλοιπο που διαφεύγει έχει μεγαλύτερη ενέργεια από το αρχικό κύμα.

Τελικά, κατά το μηχανισμό αυτό, μειώνεται η στροφορμή της μελανής οπής και όταν χάσει όλη της την ενέργεια παύει να εκπέμπει βαρυτική ακτινοβολία. Ο Hawking όμως πιστεύει ότι η εκπομπή ακτινοβολίας δεν παύει όταν μηδενιστεί η στροφορμή της.
Το βέλος του χρόνου

Μια ασυνήθιστη πτυχή της ακτινοβολίας Hawking είναι ότι μπορεί να είναι μια απόδειξη του “βέλους του χρόνου”. Σύμφωνα με την κλασσική φυσική, ο χρόνος στο σύμπαν είναι αναστρέψιμος. Οτιδήποτε που συμβαίνει στο σύμπαν θα μπορούσε εύκολα να συμβεί και “προς τα πίσω”, όπως και “προς τα εμπρός”.
Παραδείγματος χάριν, είναι δυνατό θεωρητικά να αναδημιουργηθεί το περιεχόμενο μιας καμένης εφημερίδας εξετάζοντας τη μορφή της τέφρας, των προϊόντων της καύσης, και της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που δημιουργήθηκε από την πυρκαγιά. Κάτι, το τελείως παράλογο.
Όμως, είναι πέρα από κάθε αμφιβολία ότι ο χρόνος ρέει μόνο “προς τα εμπρός”, ένα φαινόμενο που αναφέρεται στη φυσική το “βέλος του χρόνου”.
Οι επιστήμονες δεν ήταν σε θέση ποτέ να καταλάβουν γιατί να συμβαίνει αυτό στο σύμπαν, παρά τις πολλές προσπάθειες που έγιναν για να εξηγηθεί το φαινόμενο. Μεταξύ των άλλων έχει προταθεί ότι η διάσπαση ορισμένων υποατομικών σωματιδίων μπορεί να συμβεί μόνο προς μία κατεύθυνση, αν και αυτό δεν έχει αποδειχθεί ποτέ.
Επίσης, θεωρείται ότι η πτυχή της αβεβαιότητας σε μερικές ερμηνείες της κβαντομηχανικής (συγκεκριμένα, η ιδέα ότι ένα κβαντικό γεγονός έχει μια τυχαία έκβαση) μπορεί να εξηγήσει γιατί ο χρόνος δεν τρέχει προς τα πίσω.

Οι πληροφορίες χάνονται;
Κατά τη διάρκεια του σχηματισμού τους, οι μελανές οπές καταβροχθίζουν πλήθος από δεδομένα σχετικά με τους τύπους, τις ιδιότητες και τη διαμόρφωση των σωματιδίων που πέφτουν μέσα σε αυτές. Αν και η κβαντική θεωρία απαιτεί πως τέτοια πληροφορία πρέπει να διατηρείται, ότι τελικά και να συμβαίνει σε αυτή, αυτό αποτελεί ένα θέμα επιστημονικής διαφωνίας.
Οι Steven Hawking και Roger Penrose πιστεύουν πως όταν η μελανή οπή ακτινοβολεί, χάνει την πληροφορία που κράταγε σχετικά με τη μορφή της ύλης και της ενέργειας που η μελανή οπή κατανάλωσε.
Οι “πληροφορίες” που περιέχει ένα σωματίδιο το οποίο πέφτει εντός της μελανής οπής, έχουν ουσιαστικά διαγραφεί, χαθεί, καθιστώντας έτσι αδύνατο να αναδημιουργήσουμε τη φύση οποιουδήποτε σωματιδίου έπεσε μέσα.
Αλλά ο Hawking δέχεται πως αυτή η απώλεια είναι ανεπανόρθωτη, ενώ ο Penrose το αμφισβητεί και δέχεται πως η απώλεια αντισταθμίζεται από αυθόρμητες μετρήσεις των κβαντικών καταστάσεων με αποτέλεσμα να εισάγεται —επιστρέφει—η πληροφορία πίσω στο σύστημα.
Αυτή, όμως, η ερμηνεία συζητείται έντονα στον κόσμο της κβαντικής αστροφυσικής, καθώς προβλέπει το πρώτο παράδειγμα μιας μη-κβαντικής παραβίασης των νόμων της αιτιότητας.

Η ανωμαλία μιας μελανής οπής

Το πεπρωμένο όλης της ύλης που πέφτει σε μια μελανή οπή είναι να συντριβεί σε ένα σημείο μηδενικού όγκου και άπειρης πυκνότητας – η γνωστή ανωμαλία (singularity). Η γενική σχετικότητα, επίσης, συμπεραίνει ότι το σύμπαν άρχισε από μία τέτοια ανωμαλία.
Η ανωμαλία είναι μια περιοχή του χωροχρόνου στην οποία οι δυνάμεις βαρύτητας είναι τόσο ισχυρές, που ακόμη και η γενική σχετικότητα, η καλύτερη θεωρία που έχουμε για την περιγραφή της δομής του σύμπαντος, καταρρέει εκεί.
Μια ανωμαλία, σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, χαρακτηρίζει ένα σημείο όπου η κυρτότητα του χωρόχρονου είναι άπειρη, ή, με άλλα λόγια, κατέχει μηδενικό όγκο με άπειρη πυκνότητα.
Η γενική σχετικότητα απαιτεί οι ιδιομορφίες να προκύπτουν από δύο περιστάσεις.
Κατ’ αρχάς, μια ανωμαλία πρέπει να σχηματιστεί κατά τη διάρκεια της δημιουργίας μιας μελανής οπής. Όταν ένα τεράστιο άστρο – πολύ μεγάλης μάζας – φθάνει στο τέλος της ζωής του, ο πυρήνας του καταρρέει. Μέχρι τότε συγκρατιόταν λόγω της πίεσης που εξασκούσε η πυρηνική σύντηξη που λάμβανε χώρα. Έτσι, όλη η ύλη στον πυρήνα συντρίβεται και χάνεται στην ανωμαλία.
Δεύτερον, η Γενική Σχετικότητα δείχνει ότι σε ορισμένες περιπτώσεις, όπως είναι ένα διαστελλόμενο σύμπαν όπως το δικό μας πρέπει να έχει ξεκινήσει ως μια ανωμαλία.

ΙΑ. ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΩΝ ΜΕΛΑΝΩΝ ΟΠΩΝ

Το γεγονός ότι στη φυσική των μελανών οπών εμφανίζονται και πάλι έννοιες της θερμοδυναμικής, αποδεικνύει πως η εν λόγω «ενότητα» υπάρχει. Άλλωστε, η ίδια η έννοια της μελανής οπής ενέχει το στοιχείο της μη αντιστρεπτότητας – γίνεται λόγος για μελανή και όχι, λόγου χάρη για, για λευκή οπή. Υπάρχει λοιπόν η μη αντιστρεπτότητα στην έννοια της μελανής οπής, όπως υπάρχει και στην έννοια της εντροπίας. Το εντυπωσιακό όμως είναι ότι εμφανίζονται θερμοδυναμικές έννοιες και σ’ αυτό τον τομέα της φυσικής, ο οποίος εκ πρώτης όψεως, φαίνεται άσχετος με το αρχικό πεδίο εφαρμογής της θερμοδυναμικής, που ήταν η φυσική των ρευστών. Χρησιμοποιώντας τους όρους των «αντιστρεπτών» και «μη αντιστρεπτών» μετασχηματισμών στη φυσική των μελανών οπών, παρατηρούμε την υπάρχουσα αναλογία με έννοιες θερμοδυναμικής. Φυσικά, η σκέψη ότι το εμβαδόν του ορίζοντα της μελανής οπής είναι μέτρο της εντροπίας της ανήκει οπωσδήποτε στον Bekenstein.
Ο Hawking αρνήθηκε αρχικά να δεχτεί την ορθότητα της εργασίας του Bekenstein, στη συνέχεια όμως πείστηκε γι αυτήν. Ο αρχικός δισταγμός του οφειλόταν στο ότι σκέφτηκε πως αν οι μελανές οπές είχαν εντροπία, θα είχαν και θερμοκρασία και επομένως θα έπρεπε να εκπέμπουν ακτινοβολία. Αλλά από τον ίδιο τον ορισμό υποτίθεται ότι οι μελανές οπές δεν εκπέμπουν τίποτε. Τελικά, ο ίδιος ο Hawking απέδειξε ότι η μελανή οπή όντως ακτινοβολεί, και ότι η ακτινοβολία αυτή έχει το φάσμα του θερμού μελανού σώματος. Επομένως, όσον αφορά τη φυσική των μελανών οπών, για να είμαστε ιστορικά ακριβείς, οφείλουμε να ομιλούμε για «θερμοκρασία Bekenstein» και για «ακτινοβολία Hawking»

Ανάμεσα στις ήττες που έχει υποστεί ο Stephen Hawking, η πιο θεαματική ήταν ίσως εκείνη από τον Jacob Βekenstein,μεταπτυχιακό φοιτητή του John Wheeler.Ωστόσο, όμως θα διαπιστώσουμε, ότι ο Hawking πέτυχε μέσα από την ήττα του έναν ακόμη μεγαλύτερο θρίαμβο: την ανακάλυψη ότι οι μελανές οπές μπορούν να εξαερώνονται.Ο Ηawking ηττήθηκε στο «στίβο» της θερμοδυναμικής των μελανών οπών. Οι νόμοι της θερμοδυναμικής διέπουν την τυχαία, στατιστική συμπεριφορά μεγάλου πλήθους ατόμων – για παράδειγμα εκείνων από τα οποία αποτελείται ο Ήλιος. Η στατιστική συμπεριφορά μεγάλου πλήθους ατόμων περιλαμβάνει, μεταξύ άλλων, τις τυχαίες άτακτες κινήσεις που οφείλονται στη θερμότητα ̇ και αντίστοιχα, οι νόμοι της θερμοδυναμικής περιλαμβάνουν, μεταξύ άλλων, τους νόμους που διέπουν τη θερμότητα – εξ ου και το όνομα θερμοδυναμική. Ένα χρόνο προτού ο Hawking ανακαλύψει το θεώρημα αύξησης του εμβαδού, ο Δημήτρης Χριστοδούλου, ένας δεκαεννιάχρονος μεταπτυχιακός φοιτητής στην ομάδα του Wheeler, στο Πρίνστον, παρατήρησε ότι οι εξισώσεις που περιγράφουν τις αργές μεταβολές των ιδιοτήτων των μελανών οπών (όταν, για παράδειγμα, προστίθεται αργά σε αυτές αέριο) μοιάζουν με ορισμένες από τις εξισώσεις της θερμοδυναμικής. Η ομοιότητα ήταν αξιοσημείωτη, αλλά δεν υπήρχε λόγος για να θεωρηθεί κάτι περισσότερο από απλή σύμπτωση.
Η ομοιότητα αυτή ενισχύθηκε από το θεώρημα του Hawking περί αύξησης του εμβαδού, το οποίο έμοιαζε πολύ με τον Δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Πράγματι, το εν λόγω θεώρημα … αποκτά ίδια μορφή με τον Δεύτερο νόμο αρκεί να αντικαταστήσουμε τη φράση «εμβαδόν του ορίζοντα» με τη λέξη «εντροπία».

Έστω ότι οποιαδήποτε χρονική (ανεξαρτήτως του συστήματος αναφοράς) μετράτε τη συνολική εντροπία σε κάποια περιοχή του χώρου. Περιμένετε όσο χρόνο θέλετε, και μετράτε ξανά τη συνολική εντροπία. Αν στο χρονικό διάστημα μεταξύ των μετρήσεων τίποτε δεν έχει εξέλθει από τα όρια της περιοχής του χώρου που επιλέξατε, τότε ουδέποτε θα διαπιστώσετε ελάττωση της συνολικής εντροπίας ̇ σχεδόν πάντοτε θα διαπιστώνετε ότι η εντροπία θα έχει αυξηθεί έστω και λίγο.Τον Νοέμβριο του 1970, ο Stephen Hawking πρόσεξε την αξιοσημείωτη ομοιότητα ανάμεσα στο Δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής και το νόμο της αύξησης του εμβαδού ̇ θεώρησε, όμως, προφανές ότι επρόκειτο για απλή σύμπτωση. Θα έπρεπε να είναι κάποιος τρελός, ή τουλάχιστον ελαφρόμυαλος, για να υποστηρίξει ότι το εμβαδόν του ορίζοντα μιας μελανής οπής αποτελεί, υπό κάποια έννοια, την εντροπία της, πίστευε ο Hawking. Εξάλλου, δεν υπάρχει τίποτε τυχαίο σε μια μελανή οπή. Η μελανή οπή είναι το ακριβώς αντίθετο του τυχαίου – είναι η απλότητα ενσαρκωμένη. Αφότου μάλιστα καταλήξει σε κατάσταση ηρεμίας, εξαλείφει όλα τα ίχνη της: Όλες οι ιδιότητές της καθορίζονται επακριβώς μόνο από τρεις αριθμούς – τη μάζα, τη στροφορμή και το ηλεκτρικό φορτίο της. Η μελανή οπή δεν παρουσιάζει καθόλου τυχαιότητα. Ο Jacob Bekenstein όμως δεν είχε πειστεί. Θεωρούσε πιθανό ότι το εμβαδό μιας μελανής οπής είναι, υπό κάποια βαθύτερη έννοια, η εντροπία της – για να ακριβολογούμε η εντροπία της πολλαπλασιασμένη επί κάποια σταθερά. Αν δεν ίσχυε κάτι τέτοιο, σκεφτόταν ο Bekenstein, αν δηλαδή οι μελανές οπές είχαν μηδενική εντροπία (καθόλου τυχαιότητα), όπως υποστήριζε ο Hawking, τότε θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να ελαττωθεί η εντροπία του σύμπαντος – και επομένως θα παραβιαζόταν ο Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής. Το μόνο που χρειαζόταν ήταν να στριμώξει κανείς, ας πούμε, όλα τα μόρια του αέρα ενός δωματίου σε ένα μικρό αεροστεγές πακέτο και να το ρίξει μέσα σε μια μελανή οπή. Έτσι, μόλις το πακέτο εισερχόταν στην τρύπα, αυτά τα μόρια καθώς και η εντροπία που διέθεταν θα εξαφανίζονταν από το σύμπαν μας. Αν λοιπόν η εντροπία της μελανής οπής δεν αυξανόταν ως αντιστάθμισμα αυτής της απώλειας, τότε η συνολική εντροπία του σύμπαντος θα ελαττωνόταν! Μια τέτοια παραβίαση του Δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής δεν φαίνεται καθόλου πειστική, υποστήριξε ο Bekenstein. Για να προστατεύεται ο Δεύτερος νόμος, η μελανή οπή πρέπει να διαθέτει εντροπία, η οποία να αυξάνεται όταν ένα τέτοιο πακέτο διασχίζει τον ορίζοντά της ̇ κατά τον Bekenstein, δεν υπήρχε καλύτερος για να αντιπροσωπεύει αυτή την εντροπία απ’ ότι το εμβαδόν της επιφάνειας της μελανής οπής. Ο Hawking διαφωνούσε. Θεωρούσε όντως δυνατόν να χάνονται τα μόρια του αέρα όταν τα ρίχνουμε μέσα στην τρύπα, και παράλληλα να χάνεται και η εντροπία τους. Απλώς τέτοια είναι η φύση των μελανών οπών. Όλοι οι ανά τον κόσμο ειδικοί στις μελανές οπές τάχθηκαν υπέρ της άποψης του Hawking – για την ακρίβεια, όλοι εκτός από το μέντορα του Bekenstein, τον John Wheeler. «Η ιδέα σου ακούγεται τόσο τρελή, ώστε ίσως να είναι σωστή» είπε ο Wheeler στον Bekenstein. Και ο Bekenstein προχώρησε και θεμελίωσε περισσότερο την εικασία του. Υπολόγισε ακριβώς πόσο θα πρέπει να αυξηθεί η εντροπία μιας μελανής οπής όταν ρίξουμε μέσα της ένα πακέτο αέρα, προκειμένου να μην παραβιάζεται ο Δεύτερος νόμος τηε θερμοδυναμικής, και υπολόγισε πόσο πρέπει να αυξηθεί το εμβαδόν του ορίζοντα της τρύπας εξαιτίας του εν λόγω πακέτου. Ο Stephen Hawking όμως επέμενε: «Αν η μελανή οπή έχει εντροπία, τότε πρέπει να έχει και θερμοκρασία. Αλλά ένα σώμα με συγκεκριμένη θερμοκρασία πρέπει να εκπέμπει ακτινοβολία με συγκεκριμένο ρυθμό! (…) Αν λοιπόν οι μελανές οπές έχουν εντροπία θα έχουν και θερμοκρασία ̇ και αφού έχουν θερμοκρασία θα πρέπει να εκπέμπουν ακτινοβολία. Αλλά από τον ίδιο τους τον ορισμό οι μελανές οπές δεν θα μπορούσε να είναι το μέτρο της εντροπίας» Το 1972 ο Ηawking μαζί με τους Brandon Carter και Jim Bardeen δημοσίευσαν μια εργασία, όπου έδειχναν ότι υπάρχουν μεγάλες ομοιότητες μεταξύ της μηχανικής των μελανών οπών και των νόμων της θερμοδυναμικής. Αρκεί στη θέση του εμβαδού του ορίζοντα γεγονότων της μελανής οπής να μπει η εντροπία. Ο Hawking παραδέχτηκε ότι το κι
́νητρο αυτής της εργασίας ήταν η οργή του κατά του Bekenstein! Aισθανόταν ότι ο Bekenstein καταχράστηκε την δική του ανακάλυψη ότι το εμβαδόν του ορίζοντα των γεγονότων δεν μικραίνει ποτέ. Αν και αναγνώρισε στο τέλος ότι ο Bekenstein είχε δίκιο …αλλά με έναν τρόπο που ούτε ο ίδιος δεν περίμενε. H πρώτη νύξη ότι οι μελανές οπές μπορούν πράγματι να ακτινοβολούν έγινε από τον σοβιετικό φυσικό Yakov Borisovish Zel’dovich τον Ιούνιο του 1971 αλλά κανείς όμως δεν έδωσε προσοχή. To άρθρο με τίτλο «Particle production and vacuum polarization in an anisotropic gravitational field» θα είχε απορριφθεί αν το είχε γράψει κάποιος άλλος. Το όνομα Zel’dovich όμως υπερίσχυσε. Ο Zel’dovich ισχυρίστηκε ότι «μια περιστρεφόμενη μελανή οπή πρέπει να ακτινοβολεί. Η ακτινοβολία θα ωθεί αντίθετα την μελανή οπή και θα μειώνει σιγά-σιγά τη στροφορμή της, έως ότου αυτή σταματήσει να περιστρέφεται. Τότε, θα πάψει να εκπέμπει και ακτινοβολία και θα έχει για πάντα απολύτως σφαιρικό σχήμα και δεν θα περιστρέφεται. Το συμπέρασμα αυτό μετά από 3 χρόνια επιβεβαιώθηκε και από άλλους φυσικούς. Βρισκόμαστε στο 1974 και οι ειδικοί περί των μελανών οπών συμφωνούν στο ότι: μια περιστρεφόμενη μελανή οπή πρέπει να εκπέμπει ακτινοβολία έως ότου εξαντληθεί η περιστροφική κινητική της ενέργεια, οπότε και θα σταματήσει η εκπομπή ακτινοβολίας. Και τότε σκάει η «βόμβα» του Hawking. Black hole explosions? (1974) … και στη συνέχεια …. Particle creation by black holes, (1975) Black holes and thermodynamics (1976)

Oι υπολογισμοί του Hawking επιβεβαίωναν ότι κάθε περιστρεφόμενη μελανή οπή πρέπει να ακτινοβολεί και ότι η στροφορμή της μειώνεται. Οι υπολογισμοί του όμως προέβλεπαν επιπλέον πως όταν η μελανή οπή πάψει να περιστρέφεται, η εκπομπή ακτινοβολίας δεν σταματά. Παρότι η τρύπα δεν διαθέτει περιστροφική ενέργεια, συνεχίζει να εκπέμπει ακτινοβολία όλων των ειδών (βαρυτική, ηλεκτρομαγνητική, νετρίνα) ̇ και καθώς συμβαίνει αυτό, εξακολουθεί να χάνει ενέργεια. Ενώ μάλιστα η περιστροφική της ενέργεια παρέμενε αποθηκευμένη στον στροβιλιζόμενο χώρο έξω από τον ορίζοντα, η ενέργεια που χάνει τώρα δεν μπορεί να προέρχεται από πουθενά αλλού παρά μόνο από το εσωτερικό της.! Εξίσου εκπληκτικό ήταν το γεγονός ότι οι υπολογισμοί του Hawking προέβλεπαν πως το φάσμα της ακτινοβολίας (δηλαδή η ποσότητα της ενέργειας που ακτινοβολείται σε κάθε μήκος κύματος) μοιάζει επακριβώς με το φάσμα της θερμικής ακτινοβολίας ενός θερμού σώματος. Με άλλα λόγια, μια μελανή οπή συμπεριφέρεται ακριβώς σαν ο ορίζοντάς της να έχει πεπερασμένη θερμοκρασία, η οποία, όπως συμπέρανε ο Hawking, είναι ανάλογη με την επιφανειακή βαρύτητα της τρύπας. Τελικά οι νόμοι της μηχανικής των μελανών οπών είναι μεταμφιεσμένοι οι νόμοι της θερμοδυναμικής και όπως είχε ισχυριστεί ο Bekenstein – μια μελανή οπή έχει εντροπία ανάλογη με το εμβαδόν της επιφάνειάς της. (S = A/4)
Από τους υπολογισμούς του Hawking προέκυπταν και άλλα συμπεράσματα. Από τη στιγμή που η τρύπα παύει να περιστρέφεται, η εντροπία της και το εμβαδό του ορίζοντά της είναι ανάλογα του τετραγώνου της μάζας της. Επομένως κάθε μελανή οπή συνεχίζει να εκπέμπει ακτινοβολία μετατρέποντας μάζα σε ενέργεια, η μάζα της όπως και η εντροπία και το εμβαδόν της ελαττώνονται, ενώ η θερμοκρασία και η επιφανειακή βαρύτητά της αυξάνονται. Η μελανή οπή συρρικνώνεται και γίνεται θερμότερη, δηλαδή στην ουσία εξαερώνεται!

H θερμοκρασία μιας μελανής οπής είναι αντιστρόφως ανάλογη με την μάζα της. Η εξίσωση αυτή είναι από τις ομορφότερες εξισώσεις της φυσικής. Περιέχει τις πιο σημαντικές παγκόσμιες σταθερές : την ταχύτητα του φωτός, τη σταθερά της παγκόσμιας έλξης, τη σταθερά Planck και τη σταθερά Boltzmann
Η ακτινοβολία που εκπέμπει μια μελανή οπή ονομάστηκε ακτινοβολία Hawking. Πως όμως είναι δυνατόν να φαίνεται ότι μια μελανή οπή εκπέμπει σωματίδια– ή καλύτερα σωματίδια, όταν γνωρίζουμε πως τίποτε δεν μπορεί διαφύγει από τα όρια του ορίζοντα των γεγονότων της. Την απάντηση δίνει η κβαντική θεωρία. Τα σωματίδια δεν προέρχονται από το εσωτερικό της μελανής οπής, αλλά από τον «κενό» χώρο, έξω ακριβώς από τον ορίζοντα των γεγονότων της!Σύμφωνα με την αρχή της απροσδιοριστίας, εμφανίζονται ζεύγη από «δυνάμει» σωματίδια ύλης

Στην περίπτωση όμως αυτή το ένα μέλος του ζεύγους θα είναι σωματίδιο και το άλλο αντισωματίδιο. Επειδή η ενέργεια δεν μπορεί να παραχθεί από το μηδέν, το ένα μέλος του ζεύγους σωματιδίου-αντισωματιδίου θα έχει θετική ενέργεια και το άλλο αρνητική. Αυτό με την αρνητική ενέργεια είναι καταδικασμένο να παραμείνει ένα «δυνάμει» σωματίδιο ή αντισωματίδιο, επειδή σε κανονικές καταστάσεις δηλαδή έξω από τις οι μελανές οπές, τα «πραγματικά» σωματίδια ή αντισωματίδια έχουν θετική ενέργεια. Πρέπει λοιπόν στο σύντομο χρονικό διάστημα της ζωής του να επιζητεί μια συνάντηση με το άλλο μέρος του ζεύγους, αυτό με τη θετική ενέργεια, και να εξαϋλωθεί μαζί του. Αν όμως κοντά στην περιοχή όπου εμφανίζεται το ζεύγος υπάρχει μια μελανή οπή παρουσιάζεται και μια άλλη δυνατότητα. Ένα «πραγματικό» σωματίδιο ή αντισωματίδιο που έχει θετική ενέργεια όταν βρίσκεται κοντά σε ένα σώμα με μεγάλη μάζα, η ενέργειά του είναι μικρότερη απ’ όση όταν βρισκόταν μακρύτερα. Όσο πιο κοντά βρίσκεται στο σώμα τόσο μικρότερη είναι η ενέργειά του.
Σε κανονικές καταστάσεις αυτή η ενέργεια παραμένει πάντα θετική. Στο εσωτερικό, όμως μιας μελανής οπής το βαρυτικό πεδίο είναι τόσο ισχυρό ώστε εκεί το σωματίδιο ή το αντισωματίδιο μπορεί να έχει αρντητική ενέργεια. Αφού λοιπόν ένα «πραγματικό» σωματίδιο ή αντισωματίδιο μπορεί, στο εσωτερικό της μελανής οπής, να έχει αρνητική ενέργεια, παρουσιάζεται η δυνατότητα στο «δυνάμει» σωματίδιο ή αντισωματίδιο με την αρνητική ενέργεια να πέσει μέσα στη μελανή οπή και να γίνει «πραγματικό» σωαμτίδιο ή αντισωματίδιο. Στην περίπτωση αυτή δεν χρειάζεται πια να εξαϋλωθεί μαζί με το άλλο μέλος του ζεύγους. Το εγκαταλελειμμένο μέλος του ζεύγους, αυτό με τη θετική ενέργεια, μπορεί ή να πέσει και αυτό μέσα στη μελανή οπή ή να διαφύγει από την περιοχή της. Για κάποιον που παρατηρεί τα γεγονότα από μακριά, θα φαίνεται ότι το σωματίδιο αυτό το εξέπεμψε η μελανή οπή. Όσο μικρότερη είναι η μελανή τόσο μικρότερη είναι η απόσταση που θα πρέπει να διανύσει το «δυνάμει» σωματίδιο ή αντισωματίδιο πριν γίνει πραγματικό, και τόσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία της μελανής οπής και ο ρυθμός εκπομπής της ακτινοβολίας. Η θετική ενέργεια της ακτινοβολίας που θα εκπέμπεται από τη μελανή οπή θα εξισορροπείται από τη ροή των σωματιδίων ή αντισωματιδίων αρνητικής ενέργειας που θα πέφτουν μέσα της. Επομένως, η ροή αρνητικής ενέργειας μέσα στη μελανή οπή έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της μάζας της. Καθώς μειώνεται η μάζα της μελανής οπής μειώνεται και το εμβαδόν του ορίζοντα των γεγονότων της (που τελικά είναι το μέτρο της εντροπίας της). Η μείωση όμως της εντροπίας της μελανής οπής εξισορροπείται από την εντροπία της ακτινοβολίας που εκπέμπεται. Έτσι, ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής δεν παραβιάζεται ποτέ.

ΙΒ. ΟΙ ΑΡΧΕΓΟΝΕΣ ΜΕΛΑΝΕΣ ΟΠΕΣ

Σύμφωνα με μια μελέτη που δημοσιεύτηκε τον Απρίλιο του 2011, οι αρχέγονες μελανές οπές, οι πρώτες δομές αυτού του τύπου στο Σύμπαν, δεν έχουν παραχθεί μετά το Big Bang, αλλά, μάλλον, πριν από αυτό. Εάν αποδειχθεί η ιδέα αυτή σωστή τότε θα μπορούσε να αλλάξει ριζικά όλη την σύγχρονη κοσμολογία. Όμως, δεν υπάρχει περίπτωση να έχει παραχθεί κάτι πριν από το Big Bang και να υπάρχει ακόμα, δεδομένου ότι στη Μεγάλη Έκρηξη ξεκίνησε ολόκληρο το σύμπαν, άρα και τα πάντα μέσα σε αυτό. Για πολλά χρόνια μια τέτοια πρόταση – ότι δηλαδή υπήρχε κάτι μέσα σε αυτό το Σύμπαν πριν από 13,75 δισεκατομμύρια χρόνια – θα ήταν επιστημονικά βλασφημία.
Ωστόσο, σε πιο πρόσφατες εποχές, οι κοσμολόγοι άρχισαν να ερευνούν πολλά ερωτήματα που δεν είχαν προηγουμένως ληφθεί υπόψη. Ένα από αυτά ασχολείται με το αν είναι δυνατό ή όχι μια αρχέγονη μελανή οπή να επιβίωσε του κύκλου Μεγάλη Έκρηξη – Μεγάλη Σύνθλιψη.

Η Μεγάλη Σύνθλιψη είναι ένα από τα προτεινόμενα πεπρωμένα του Σύμπαντος. Στην ουσία, αναφέρει ότι η τρέχουσα επιταχυνόμενη διαστολή του Κόσμου κάποτε θα σταματήσει, και στη συνέχεια θα αντιστραφεί με μια συστολή του Κόσμου. Όταν θα συμβεί αυτό, μετά από πολλά δισεκατομμύρια χρόνια, όλα θα καταρρεύσουν πίσω σε ένα μόνο σημείο.
Ορισμένοι θεωρητικοί αστροφυσικοί προτείνουν ότι αυτός ο κύκλος επαναλαμβάνεται συνεχώς, όπου τα γεγονότα Big Bang και Big Crunch εναλλάσσονται εδώ και τρισεκατομμύρια χρόνια. Το ερώτημα που προκύπτει λοιπόν είναι, μπορεί οι αρχέγονες μελανές οπέψ (PBH) να επιβιώσουν σε αυτές τις μεταβάσεις;
Ο κοσμολόγος Alan Coley στο Πανεπιστήμιο Dalhousie και ο συνάδελφός του Bernard Carr, στο Πανεπιστήμιο Queen του Λονδίνου, πιστεύουν ότι αυτό είναι δυνατό να συμβεί. Ωστόσο, οι δομές αυτές πρέπει να έχουν σχετικά μικρή μάζα, που να κυμαίνεται από μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια κιλά έως περίπου τη μάζα του Ήλιου μας.
Η βάση αυτής της υπόθεσης βασίζεται στο γεγονός ότι το Σύμπαν περιστασιακά διαπνέεται από εκρήξεις ακτίνων γάμμα (GRB), των οποίων η προέλευση είναι έως τώρα άγνωστη. Ορισμένοι κοσμολόγοι πιστεύουν ότι αυτά τα συμβάντα προκαλούνται από αρχέγονες μελανές οπές όταν ‘ξεμένουν’ από ενέργεια, και έτσι πεθαίνουν.
Ακόμα κι αν μπορεί να επιβιώσει μια τέτοια μελανή οπή (PBH) στις οικουμενικές αυτές μετενσαρκώσεις, η επιστημονική ομάδα παραδέχεται ότι δεν υπάρχει κανένας τρόπος ελέγχου πάνω σε αυτή την πρόταση.Με άλλα λόγια, δεν υπάρχει μέθοδος που να μπορεί να εφαρμοστεί στις PBH για να καθοριστεί εάν είναι γηραιότερες από την εκτιμώμενη ηλικία του σημερινού Σύμπαντος.
Ιδέες όπως αυτή έχουν μια μεγάλη δυναμική για την ενημέρωση άλλων μελετών. Ακόμη και αν αποδειχθεί ότι δεν είναι τίποτα άλλο παρά μια ψευδής υπόθεση, θα μπορεί να εμπνεύσει άλλες έρευνες που ίσως φανούν χρήσιμες αργότερα.
Αναζητώντας τις αρχέγονες μελανές οπές
Οι αστρονόμοι ανίχνευσαν αχνά σήματα ακτινοβολίας-Χ, τα οποία πιστεύουν ότι αποτελούν τα απομεινάρια από γιγάντιες και ακόρεστες μελανές οπές, οι οποίες υπήρχαν ήδη πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, όταν ακόμα το Σύμπαν βρισκόταν στη νηπιακή ηλικία του.
Οι επιστήμονες, με επικεφαλής τον κοσμολόγο Πριγιαμβάντα Ναταράτζαν του πανεπιστημίου Γιέηλ, αξιοποίησαν το τηλεσκόπιο ακτίνων-Χ «Chandra» της NASA και δημοσίευσαν τη σχετική μελέτη στο περιοδικό Nature, σύμφωνα με το γαλλικό πρακτορείο ειδήσεων.

Οι αστρονόμοι εστίασαν την προσοχή τους σε περίπου 250 γαλαξίες, τους οποίους αρχικά είχαν επιλέξει με τη βοήθεια του τηλεσκοπίου Hubble. Ο πιο απομακρυσμένος από αυτούς τους γαλαξίες απέχει γύρω στα 13 δισ. έτη φωτός από τη Γη, δηλαδή έχει ηλικία «μόλις» 700 εκατ. ετών μετά το αρχικό «Μπιγκ Μπανγκ» της δημιουργίας του Σύμπαντος.
Τα νέα ευρήματα υποστηρίζουν τη θεωρία ότι οι υπερμεγέθεις μελανές οπές παίζουν ένα διπλό ρόλο καταστροφής και αναδημιουργίας στο επίκεντρο των γαλαξιών. «Αυτές οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι υπερβολικά μεγάλες μελανές οπές ήδη υπήρχαν 700 έως 800 εκατ. χρόνια μετά την αρχική «Μεγάλη Έκρηξη», πράγμα που σημαίνει ότι είτε εξαρχής γεννήθηκαν γιγάντιες, είτε αναπτύχθηκαν με ραγδαίο ρυθμό. Οποιοδήποτε σενάριο μάς λέει περισσότερα πράγματα από αυτά που ξέρουμε, πράγμα που είναι συναρπαστικό», όπως είπε ο Ναταράτζαν.
Οι πρώιμες μελανές οπές εντοπίστηκαν έμμεσα χάρη στις υψηλής ενέργειας «υπογραφές» τους στο φάσμα της ακτινοβολίας-Χ, η οποία μπόρεσε να περάσει μέσα από τα πυκνά νέφη σκόνης και αερίων στους γαλαξίες που τις φιλοξενούσαν (τα νέφη αυτά εμποδίζουν τα οπτικά τηλεσκόπια να δουν τις αρχέγονες μελανές οπές). Είναι οι πιο βαθιές στο Σύμπαν «εικόνες» ακτίνων-Χ που έχουν ληφθεί ποτέ. Αρχαίες μελανές οπές έχουν εντοπιστεί και στο παρελθόν, όμως είναι η πρώτη φορά που έχει γίνει μαζική ανίχνευσή τους σε τόσο μεγάλη κλίμακα γαλαξιών.
Υπολογίζεται ότι μεταξύ 30% και 100% των μακρινών γαλαξιών περιέχουν μελανές οπές σούπερ-μεγέθους. Σύμφωνα με μια εκτίμηση, υπάρχουν τουλάχιστον 30 εκατ. υπερμεγέθεις μελανές οπές στο πρώιμο σύμπαν, 10.000 φορές περισσότερες από τα κβάζαρ, τα πολύ φωτεινά γαλαξιακά κέντρα, που μοιάζουν με μελανές οπές.
«Φαίνεται πως βρήκαμε ένα τελείως νέο πληθυσμό μελανών οπών – μωρών, οι οποίες θα μεγαλώσουν κατά 100 ή 1.000 φορές, ώσπου τελικά να γίνουν οι γιγάντιες μελανές οπές που βλέπουμε σήμερα, μετά από σχεδόν 13 δισ. χρόνια», δήλωσε ο συνυπεύθυνος της έρευνας Κέβιν Σαβίνσκι του πανεπιστημίου Γιέηλ. Ένας τέτοιος μαζικός πληθυσμός νηπιακών μελανών οπών είχε προβλεφθεί θεωρητικά, αλλά ποτέ ως τώρα δεν είχε παρατηρηθεί.

«Μέχρι σήμερα δεν είχαμε ιδέα τι έκαναν οι μελανές οπές στους πρώιμους γαλαξίες – ούτε καν ήμασταν σίγουροι αν υπήρχαν. Τώρα ξέρουμε ότι υπάρχουν και ότι μεγαλώνουν σαν τρελές», δήλωσε ο ερευνητής Εζεκιήλ Τράϊστερ του πανεπιστημίου της Χαβάης. Το ερώτημα πάντως παραμένει με ποιο τρόπο σχηματίστηκαν οι πρώτες υπερμεγέθεις μελανές οπές, αλλά και πώς μεγαλώνουν τόσο γρήγορα. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι μελανές οπές και γαλαξίες, με κάποιο συμβιωτικό τρόπο, μεγαλώνουν παράλληλα και αυτή η διαδικασία έχει αρχίσει ήδη από τα πρώτα στάδια του Σύμπαντος.

Μήπως φιλοξενούν οι αόρατες αρχέγονες μελανές οπές την σκοτεινή ύλη του Σύμπαντος;
Παρά τις πολύχρονες έρευνες για την ανακάλυψη της σκοτεινής ύλης, με πειράματα που κοστίζουν δεκάδες εκατομμύρια δολάρια, είτε σε υπόγεια ορυχεία σιδήρου στην Μινεσότα είτε στο πρότζεκτ Ice Cube στην Ανταρκτική, κανείς δεν έχει δει την ουσία αυτή. Είναι δύσκολο λοιπόν να ξεφύγει κάποιος από το συμπέρασμα ότι είναι απαραίτητη κάποια άλλη εξήγηση για τη μάζα που λείπει.
Ο κοσμολόγος Paul Frampton στο Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας και οι συνεργάτες του προτείνουν ότι η ελλείπουσα 23% της μάζας του σύμπαντος αποτελείται από μελανές οπές που είναι πάρα πολύ μικρές για να τις δούμε άμεσα, αλλά πολύ μεγάλες για να έχουν εξατμιστεί λόγω της ακτινοβολίας Hawking.

Στην εικόνα τα αόρατα ραδιοκύματα που εκπέμπονται από τον σκοτεινό πυρήνα του Γαλαξία μας, δηλαδή από μελανή οπή στο γαλαξία Centaurus A, που βρίσκεται 14 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά μας. Μελέτες δείχνουν ότι η μελανή οπή είναι 50 εκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου.

Ο Frampton έφτασε στο συμπέρασμα αυτό, αναζητώντας το εξής ερώτημα: ποιά είναι η μέγιστη εντροπία του σύμπαντος που θα μπορούσε να οφείλεται στο ότι ολόκληρο το ορατό σύμπαν ήταν μια γιγαντιαία μελανή οπή; Η απάντηση καταλήγει να είναι 10¹²³, ένας τεράστιος αριθμός που καθορίζει το ανώτατο όριο σε αυτό που η εντροπία μπορεί να είναι.

Αυτοί μετά καθόρισαν το χαμηλότερο όριο από το άθροισμα της εντροπίας σε όλες τις γνωστές μελανές οπές στο σύμπαν, με την παραδοχή ότι υπάρχει μια γιγαντιαία μελανή οπή στο κέντρο κάθε γαλαξία, μια άποψη που συνήθως πιστεύει η αστροφυσική κοινότητα στον κόσμο. Αυτός ο αριθμός είναι 10¹⁰³, πολλές τάξεις μεγέθους μικρότερη.

Ο Frampton γι αυτό πιστεύει ότι είναι απίθανο να έχουν αυτές μια σημαντική συμβολή στην εντροπία στο σύμπαν μας: “Κάθε υπερβαρέα μελανή οπή είναι περίπου στο μέγεθος του ηλιακού μας συστήματος ή και λιγότερο ακόμα, έτσι είναι διαισθητικά απίθανο να είναι ουσιαστικά όλη η εντροπία τόσο συγκεντρωμένη. ”
Σε κάτι άλλο πρέπει λοιπόν να οφείλεται η αυξημένη εντροπία. Αλλά τι και πού;
Αυτή δεν μπορεί να είναι η ορατή ύλη επειδή οι συμβατικοί υπολογισμοί δείχνουν ότι η εντροπία της ανέρχεται σε μόνο 1088. Και τι μένει λοιπόν; Αυτό που μένει είναι η εντροπία της σκοτεινής ύλης. Τι είδους μελανές οπές θα μπορούσαν να είναι υπεύθυνες για αυτό το αποτέλεσμα; Αποδεικνύεται ότι κάθε μελανή οπή μεγαλύτερη από 106 ηλιακές μάζες θα αναγκάσει την γειτονική της ύλη να την περικυκλώνει, εμποδίζοντας από το να σχηματιστούν τους γαλαξίες. Οποιεσδήποτε μάλιστα μελανές οπές μικρότερες από 10^-8 ηλιακές μάζες θα έχουν εξατμιστεί.

Τελικά το συμπέρασμα του Frampton είναι ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από μελανές οπές με μάζα μεταξύ 10^{6 ́} και 10^-8 ηλιακές μάζες, οι οποίες δημιουργήθηκαν κατά τη διάρκεια ανάμεσα στις δύο περιόδους του πληθωρισμού. Η πρώτη οδήγησε στην μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντος που βλέπουμε και έχει μετρηθεί από το διαστημικό σκάφος WMAP. Η δεύτερη οδήγησε στη συσσώρευση που δημιούργησε ένα μεγάλο αριθμό μεσαίων αρχέγονων μελανών οπών.
Η θεωρία του Frampton μπορεί να ελεγχθεί εξετάζοντας για αποδείξεις ότι υπάρχουν αρχέγονες μελανές οπές, και οι οποίες θα πρέπει να προκαλούν μικρο-βαρυτικούς φακούς, ένα γεγονός στο οποίο η βαρύτητα τους θα συγκεντρώνει το φως από άστρα πίσω τους, όπως φαίνεται από τη Γη.

Θα μπορούσαν οι αρχέγονες μελανές οπες να είναι η σκοτεινή ύλη;

Όταν πολλοί από εμάς σκεφτόμαστε τις μελανές οπές νομίζουμε ότι πρόκειται για ένα τεράστιο κοσμικό αντικείμενο που απορροφά τα πάντα γύρω του. Ωστόσο, υπάρχει και η δυνατότητα να υπάρχουν μικρές μελανές οπές. “Η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν επιτρέπει τις μελανές οπές”, λέει ο Michael Kesden, ένας θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης, “αλλά δεν ορίζει ένα μέγεθος. Είναι λοιπόν πολύ πιθανό ότι το πρώιμο σύμπαν παρήγαγε πολύ μικρές μελανές οπες. Αυτές θα έλκουν σαν τις τεράστιες μελανές οπές, επιπλέοντας μέσα στο σύμπαν και φτιάχνοντας δίκτυα. ”
“Γνωρίζουμε ότι περίπου το 25% της ύλης στο σύμπαν είναι η σκοτεινή ύλη, αλλά δεν ξέρουμε τι είναι,” λέει ο Michael Kesden.”Υπάρχουν πολλές διαφορετικές θεωρίες για το τι θα μπορούσε να είναι η σκοτεινή ύλη , αλλά πιστεύουμε ότι μία εναλλακτική λύση μπορεί να είναι οι πολύ μικρές αρχέγονες μελανές οπές.”
Ο Kesden συνεργάστηκε με τον Shravan Hanasoge, από το Πανεπιστήμιο του Πρίνστον και το Ινστιτούτο Max Planck, για να εκπονήσει μια μέθοδο της χρησιμοποίησης των ηλιακών ταλαντώσεων για να καθοριστεί αν μια μικρή, αρχέγονη μελανή οπή διαπέρασε ένα άστρο. Εάν τα δεδομένα μπορούν να αποδείξουν ότι αυτές οι μικρές μελανές οπές που σχηματίστηκαν κοντά στις απαρχές του σύμπαντος υπάρχουν, θα μπορούσαν να γίνουν καλοί υποψήφιοι για την σκοτεινή ύλη.
Την εργασία τους μπορεί να την δει κανείς στο Physical Review Letters: “Transient Solar Oscillations Driven by Primordial Black Holes.”
“Η προσέγγισή μας εξετάζει τι θα συμβεί εάν έχετε σκοτεινή ύλη από αρχέγονες μελανές οπές που διέρχονται από τον ήλιο,” λέει ο Kesden. “Ήταν μια σκέψη εδώ και καιρό, αλλά κανείς δεν είχε κάνει τους υπολογισμούς που κάναμε τώρα.”
Ο Kesden εξηγεί ότι ο ήλιος δημιουργεί την ενέργεια του από την πυρηνική σύντηξη στο κέντρο του: “Υπάρχει μια ισορροπία μεταξύ της προς τα έξω πίεσης λόγω της ενέργειας που απελευθερώνεται από τη σύντηξη και της προς το εσωτερικό δύναμης της βαρύτητας. Αν ο ήλιος, ή οποιοδήποτε αστέρι, ενοχληθεί από κάτι εξωτερικό αμέσως θα ‘ταρακουνηθεί’ λίγο.”

“Μία μικρή, αρχέγονη μελανή οπή θα ήταν στο μέγεθος ενός ατόμου, αλλά θα έχει τη μάζα ενός αστεροειδή,” επισημαίνει ο ίδιος. “Το ισχυρό βαρυτικό της πεδίο, καθώς διασχίζει τον ήλιο, θα τον συμπιέζει, στη συνέχεια θα τον αφήνει, αναγκάζοντας έτσι τον ήλιο να ταλαντώνεται πριν τελικά σταματήσει.”
Η ιδέα των επιστημόνων είναι να μετρηθεί η ταλάντωση και να προσδιοριστεί τι την προκάλεσε.” Ο Shravan Hanasoge έγραψε ένα πρόγραμμα για να μας βοηθήσει με μια προσομοίωση ώστε να δούμε με τι θα έμοιαζε ο ήλιος, αν μια αρχέγονη μελανή οπή τον διαπερνούσε. Η μικρότερη μάζα που θα ήταν ανιχνεύσιμη είναι 1021 γραμμάρια, ” συνεχίζει ο Kesden.
Τώρα που οι Kesden και Hanasoge ξέρουν τι να ψάξουν, είναι δυνατή η μέτρηση των διακυμάνσεων στα διάφορα αστέρια. Επειδή αυτές οι αρχέγονες μελανές οπές πιστεύεται ότι κινούνται μέσα στο σύμπαν, θα πρέπει να μπορούν να παρατηρηθούν σε διάφορα αστέρια. “Ξέροντας για την συνολική ποσότητα της σκοτεινής ύλης στο σύμπαν, θα πρέπει να είμαστε σε θέση να καθορίσουμε πόσο συχνά μια αρχέγονη μελανή οπή θα περνά μέσα από τον ήλιο – αν φυσικά είναι η σκοτεινή ύλη,” λέει ο Kesden. Δυστυχώς, η σκοτεινή ύλη θα διέρχονται απλώς από τον ήλιο κάθε λίγα εκατομμύρια χρόνια. “Είναι πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα για να κοιτάζουμε τον ήλιο μας, περιμένοντας για κάποιο φαινόμενο.”
Αντί όμως να περιμένουμε εκατομμύρια χρόνια για να περάσει μια αρχέγονη μελανή οπή μέσα από τον ήλιο μας, είναι δυνατό να παρακολουθήσουμε εκατομμύρια άστρων. Ένα από αυτά τα αστέρια θα συναντήσει πιθανόν μια αρχέγονη μελανή οπή κάθε λίγα χρόνια. Ο Kesden επισημαίνει ότι οι τρέχουσες και μελλοντικές διαστημικές αποστολές θα μπορούσαν να συλλέξουν τα απαραίτητα στοιχεία.
“Είναι πιθανό να ψάξουμε στα δεδομένα που συλλέγονται από αστροσεισμικές αποστολές για τα γεγονότα αυτά, τώρα που ξέρουμε τι να ψάξουμε. Κάποιος θα μπορούσε ακόμη και να κοιτάξει μέσα από τα δεδομένα που συλλέχθηκαν κατά το παρελθόν για να προσπαθήσει να εντοπίσει αυτές τις ταλαντώσεις. ”
“Στον επιταχυντή LHC, ορισμένοι επιστήμονες προσπαθούν να καθορίσουν εάν η υπερσυμμετρία είναι η σκοτεινή ύλη,” λέει ο Kesden. “Αλλά αν δεν βρεθεί στον LHC, οι άνθρωποι θα αρχίσουν να ψάχνουν για άλλες εναλλακτικές λύσεις, και οι αρχέγονες μελανές οπές μπορεί να είναι η απάντηση στο εκκρεμές ζήτημα του τι είναι η σκοτεινή ύλη.”

ΙΓ. ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΙΑΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ

Ας υποθέσουμε ότι έχουμε βρει μια περιοχή του διαστήματος, όπου νομίζουμε ότι μπορεί να υπάρχει μια μελανή οπή. Πώς μπορούμε να ελέγξουμε εάν υπάρχει ή όχι; Το πρώτο πράγμα που κάνουμε είναι να μετρήσουμε πόσο πολύ μάζα υπάρχει στην περιοχή αυτή. Αν έχουμε βρει μια μεγάλη μάζα συγκεντρωμένη σε ένα μικρό όγκο, και αν η μάζα είναι σκοτεινή, τότε είναι μια καλή εικασία ότι υπάρχει μια μελανή οπή εκεί. Υπάρχουν δύο είδη συστημάτων στα οποία οι αστρονόμοι διαπίστωσαν αυτά τα συμπαγή, ογκώδη, σκοτεινά αντικείμενα: τα κέντρα των γαλαξιών (συμπεριλαμβανομένου ίσως και του δικού μας γαλαξία), και ακτίνων Χ που εκπέμπουν τα δυαδικά συστήματα στο δικό μας Γαλαξία.

Σύμφωνα με μια πρόσφατη ανασκόπηση από Kormendy και Richstone (έκδοση 1995 των “ετήσιων αξιολογήσεων της Αστρονομίας και Αστροφυσικής”), οκτώ γαλαξίες έχουν παρατηρηθεί να περιέχουν τέτοια μαζική σκοτεινά αντικείμενα στα κέντρα τους. Οι μάζες των πυρήνων αυτών των γαλαξιών κυμαίνονται από ένα εκατομμύριο μέχρι δισεκατομμύρια μάζες του Ήλιου. Η μάζα μετριέται με την παρατήρηση της ταχύτητας με την οποία άστρα και αέριο περιφέρονται σε τροχιά γύρω από το κέντρο του γαλαξία: όσο πιο μεγάλη η τροχιακή ταχύτητα, τόσο ισχυρότερη είναι η βαρυτική δύναμη που απαιτείται για να κρατήσει τα αστέρια και το φυσικό αέριο στις τροχιές τους. (Αυτός είναι ο πιο συνηθισμένος τρόπος για τη μέτρηση μαζών στην αστρονομία. Για παράδειγμα, μετράμε τη μάζα του Ήλιου παρατηρώντας πόσο γρήγορη είναι η τροχιά των πλανητών και μετρούμε την ποσότητα της σκοτεινής ύλης στους γαλαξίες μετρώντας το πόσο γρήγορα τα αντικείμενα περιφέρονται στα άκρα του γαλαξία).
Αυτά τα τεράστια σκοτεινά αντικείμενα στα γαλαξιακό κέντρα πιστεύεται ότι είναι μελανές οπές για δύο τουλάχιστον λόγους. Πρώτον, είναι πολύ πυκνά και σκούρα για να είναι αστέρια ή σμήνη άστρων.Δεύτερον, η μόνη ελπιδοφόρα θεωρία για να εξηγήσει τα αινιγματικά αντικείμενα γνωστά ως κβάζαρ και ενεργοί γαλαξίες υποθέτει ότι οι γαλαξίες έχουν υπερμεγέθεις μελανές οπές στους πυρήνες τους. Στο σύνολό τους, από τα επιχειρήματα αυτά προκύπτει σαφώς ότι οι πυρήνες αυτών των γαλαξιών περιέχουν μελανές οπές, αλλά δεν αποτελούν απόλυτη απόδειξη.
Δύο πρόσφατες ανακαλύψεις έχουν γίνει που υποστηρίζουν σθεναρά την υπόθεση ότι τα συστήματα αυτά περιέχουν πράγματι μελανές οπές.Κατ ‘αρχάς, ένας κοντινός ενεργός γαλαξίας βρέθηκε να έχει ένα μια πολύ ισχυρή πηγή της ακτινοβολίας μικροκυμάτων κοντά πυρήνα του.Χρησιμοποιώντας την τεχνική της αρχικής συμβολομετρίας, μια ομάδα ερευνητών ήταν σε θέση να χαρτογραφήσει την κατανομή ταχύτητας του αερίου με πολύ υψηλή ανάλυση. Στην πραγματικότητα, ήταν σε θέση να μετρήσουν την ταχύτητα μέσα σε λιγότερο από μισό έτος φωτός από το κέντρο του γαλαξία. Από αυτήν την μέτρηση μπορούν να καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι το αντικείμενο στο κέντρο του γαλαξία είναι λιγότερο από μισό έτος φωτός σε ακτίνα. Είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς οτιδήποτε άλλο εκτός από μια μελανή οπή που θα μπορούσε να έχει τόσο μεγάλη μάζα συγκεντρωμένη σε ένα τόσο μικρό όγκο.
Μια δεύτερη ανακάλυψη παρέχει ακόμα πιο πειστικές αποδείξεις. Οι αστρονόμοι έχουν εντοπίσει μια φασματική γραμμή ακτινών-Χ από το ένα γαλαξιακό πυρήνα που δηλώνει την παρουσία ατόμων κοντά στον πυρήνα που κινούνται με τεράστια ταχύτητα (περίπου 1/3 της ταχύτητας του φωτός). Επιπλέον, η ακτινοβολία από αυτά τα άτομα έχει ερυθρή μετατόπιση, όπως ακριβώς θα περίμενε κανείς για την ακτινοβολία που προέρχεται από τον ορίζοντα μιας μελανής οπής. Οι παρατηρήσεις αυτές θα ήταν πολύ δύσκολο να εξηγηθούν με άλλον τρόπο εκτός από μια μελανή οπή, και αν είναι επαληθεύονται, τότε η υπόθεση ότι κάποιοι γαλαξίες περιέχουν υπερμεγέθεις μελανές οπές στα κέντρα τους θα ήταν αρκετά ασφαλής.

Αποστολή NASA: Μελανή Οπή : Extreme Exploration 15 Ιουλίου 2004

“Φανταστείτε ένα αντικείμενο φτιαγμένο από τίποτε άλλο, παρά χώρο και χρόνο. Φανταστείτε ένα μέρος που είναι μια μονόδρομη έξοδος από το σύμπαν μας. Φανταστείτε ένα αντικείμενο που μπορεί να σταματήσει το χρόνο και να σχίσει έναν αστέρα, άτομο προς άτομο”.
Αυτό δεν είναι σενάριο επιστημονικής φαντασίας, αλλά μια περιγραφή της πιο παράξενης δημιουργίας της φύσης, της μελανής οπής. Η σύγχρονη έννοια της μελανής οπής ήρθε από το μυαλό του Άλμπερτ Αϊνστάιν, όταν, σχεδόν έναν αιώνα πριν, δημιούργησε ένα νέο τρόπο να σκεφτούμε ότι η βαρύτητα μπορεί να οδηγήσει σε κάποιες “άγριες” δυνατότητες, συμπεριλαμβανομένων και των μελανών οπών. Κανείς εκείνη την εποχή, εκτός ο Αϊνστάιν, πίστευαν ότι θα μπορούσε ενδεχομένως να υπάρχουν στην πραγματικότητα. Τώρα, με τη βοήθεια των προηγμένων διαστημικών τηλεσκόπιων, όπως το Chandra X-Ray Observatory της NASA, έχουμε έρθει να συνειδητοποιήσουμε όχι μόνο ότι οι μελανές οπές είναι πραγματικές, αλλά και ότι είναι παντού!
Πώς ξέρουμε ότι υπάρχουν μελανές οπές; Δεν μπορούμε να τις δούμε, αλλά μπορούμε να δούμε την επίδραση που έχουν σε άλλα, πιο γνωστά αντικείμενα που βρίσκονται κοντά τους.

Εικόνα προς τα δεξιά: γύρω από το τεράστιο θερμό μπλε αστέρι, βλέπουμε τον “μικρό σύντροφό του”, μια μελανή οπή, της οποίας η βαρύτητα είναι τόσο έντονη ώστε να αφαιρεί τα εξωτερικά στρώματα του αερίου από το αστέρι. (NASA / Honeywell Max Q-Digital Group / Dana Berry)

Ας κάνουμε ένα φανταστικό ταξίδι σε μελανή οπή. Ο προορισμός μας είναι το Cygnus X-1, ένα κατά τα άλλα κανονικό, θερμό μπλε αστέρι που βρίσκεται στον αστερισμό του Κύκνου. Γυρίζοντας το τηλεσκόπιο προς το Cygnus X-1, “πλημμυρίζουμε” από τις ισχυρές ακτίνες Χ, πιο έντονες από ό, τι ακόμη και το πιο ζεστό αστέρι είναι ικανό να παράξει.
Καθώς κινούμαστε γύρω από το άστρο, θα δούμε ότι δεν είναι μόνο. Υπάρχει μια μικρή συντροφιά, φαινομενικά συνδεδεμένη με το αστέρι με μια ταινία του θερμού αερίου. Ο σύντροφος αντλεί από τα εξωτερικά στρώματα του αστεριού, γυρίζοντας το αέριο σε επίπεδο δίσκο. Το αέριο είναι σε τροχιά εκατομμύρια μίλια την ώρα, και οι φυσαλίδες τουν βράζουν σε θερμοκρασία εκατομμυρίων βαθμών κελσίου. Όταν αυτό το αέριο είναι ζεστό, το ακτινοβολεί ακτίνες-X. Στο κέντρο του δίσκου, που δεν είναι μεγαλύτερος σε μέγεθος από μια πόλη, βλέπουμε ότι ο “σύντροφος” είναι μια μελανή οπή

Εικόνα προς τα αριστερά: η απότομη αύξηση των αερίων του δίσκου που γίνεται θερμότερος και θερμότερος καθώς πλησιάζει στη μελανή οπή. Καθώς πέφτει μέσα στη μελανή οπή, το αέριο ακτινοβολεί με θερμές ακτίνες- Χ. ζεστό. (NASA / GSFC)
Αλλά από πού προήλθε η μελανή οπή; Μερικά εκατομμύρια χρόνια πριν, το Cygnus X-1 ήταν ένα ζευγάρι των απλών, αλλά πολύ μεγάλα αστεριών. Το πιο μεγάλο σε μάζα του ζεύγους χρησιμοποιείτο για την γρήγορη προμήθεια πυρηνικών καυσίμων, και μόλις ο πυρήνας του είχε εξαντληθεί της ενέργειας, ο βίαιος θάνατος του ήταν άμεσος και καταστροφικ’ος. Ενώ η εξωτερική ατμόσφαιρα του αστεριού ανατινάχθηκε στο διάστημα σε μια γιγαντιαία έκρηξη που ονομάζεται σουπερνόβα, ο πυκνός πυρήνα του μειώθηκε κάτω από την ακαταμάχητη συμπίεση της βαρύτητας, που εξαφανίζεται μέσα σε μια μελανή οπή.
Μια μελανή οπή είναι η μοίρα μόνο των πολύ μεγάλων άστρων. Δεν είναι η μοίρα του Ήλιου μας, ο οποίος στερείται απλώς τη μάζα που απαιτείται για να δημιουργήσει μια μελανή οπή. Και επειδή τα θερμά αέρια από ένα συνοδό άστρο είναι το “αποτύπωμα” που χρησιμοποιούν οι αστρονόμοι για να εντοπίσουν τις μελανές οπές, μπορούμε να εντοπίσουμε μόνο μελανές οπές, που έχουν ένα αστέρι συνοδό. Ωστόσο, οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι μπορεί να υπάρχουν έως και ένα εκατομμύριο μελανές οπές στο Γαλαξία μας, και ότι αυτό είναι ένας χαρακτηριστικός αριθμός καθώς και για άλλους γαλαξίες. Είναι το καθήκον των τηλεσκόπιων ακτίνων-Χ (Chandra, XMM-Newton) για να εξερευνήσουν την ενδεικτική λάμψη των ακτίνων-X, που αποκαλύπτουν τις θέσεις των πιο σκοτεινών περιοχών του σύμπαντος.

Εικόνα προς τα δεξιά: Η θέα προς το κέντρο του γείτονά μας, γαλαξία της Ανδρομέδας, όπως φαίνεται από το Chandra X-ray τηλεσκόπιο. Τα κίτρινα σημεία, είναι ασαφής λάμψη των ακτίνων-Χ, καθένα από τα οποία αποκαλύπτουν τη θέση της πιθανής μελανής οπής και του άστρο της. (NASA / CXC / SAO)

Υπερμεγέθεις Μελανές Οπές

Μία μελανή οπή είναι ένα σώμα με τόσο ισχυρό βαρυτικό πεδίο σε τόσο μικρές διαστάσεις που ούτε το φως δεν μπορεί να δραπετεύσει. Το υλικό μιας μελανής οπής περιέχεται σε τόσο μικρή ακτίνα ώστε η βαρύτητα στην «επιφάνεια» της, που ονομάζεται «ορίζοντας γεγονότων» κάνει την ταχύτητα διαφυγής να είναι μεγαλύτερη απ ́την ταχύτητα του φωτός. Η ακτίνα του ορίζοντα γεγονότων ονομάζεται ακτίνα Schwarzschild και δίνεται από τη σχέση:

Με βάση την παρατηρούμενη μεταβλητότητα των AGN σε κλίμακα π.χ μίας ημέρας και υιοθετώντας διάσταση R_s =3.10¹¹m προκύπτει ότι η μάζα της μελανής οπής θα είναι 10⁸ ηλιακών μαζών. Μια τέτοια τιμή είναι περίπου 10⁷ φορές μεγαλύτερη από τις παρατηρηθείσες μελανές οπές των διπλών συστημάτων που εκπέμπουν ακτίνες Χ και οι οποίες αποτελούν τα αστρικά πτώματα μάζας >3.2 ηλιακών μαζών.

Το αέριο και οι αστέρες που βρίσκονται ή μετά από αλληλεπιδράσεις θα βρεθούν κοντά στη μελανή οπή αναμένεται να κινηθούν σε τροχιά γύρω από το βαρυτικό πεδίο της και λόγω της διαφορικής περιστροφής τους θα σχηματιστεί περιστρεφόμενος δίσκος επαύξησης (accretion disk) έξω από τον ορίζοντα γεγονότων. Καθώς το αέριο περιστρέφεται και επαυξάνεται στο δίσκο θερμαίνεται λόγω τριβής και ακτινοβολεί σε απόσταση έως και πέντε ακτίνες Schwarzschild. Η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την πρόσπτωση ύλης και τροφοδοτεί τους AGN είναι:

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι το όριο της μάζας της μελανής οπής επιβάλλεται από το γεγονός η παραγόμενη ισχύς θα πρέπει να είναι μικρότερη από το όριο Eddington που δίνεται απ ́τη σχέση: L_E (W) = 1.3 x 10³¹ M(M) και το οποίο αποτελεί και το πρακτικά ανώτερο όριο της φωτεινότητας μιας μελανής οπής μάζας Μ. Για LE = 1038W = 1045 erg / s προκύπτει Μ=7,7.106 .

Όταν οι υπερμεγέθεις μελανές οπές περιστρέφονται αντίθετα παράγουν πανίσχυρους πίδακες

Γιατί κάποιες από τις υπερμεγέθεις μελανές οπές σε ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες δημιουργούν πίδακες τον ένα πίσω από τον άλλο που μπορεί να εξατμίσουν ολόκληρο το ηλιακό σύστημα, ενώ άλλες δεν έχουν κανένα πίδακα;

Πρόσφατες έρευνες του Dan Evans, από το Ινστιτούτο Αστροφυσικής και Διαστημικής Έρευνας MIT, δείχνουν ότι αυτό συμβαίνει γιατί οι υπερμεγέθεις μελανές οπές που παράγουν τους πίδακες, στρέφονται αντίθετα σε σχέση με τους δίσκους συσσώρευσης των αερίων και της σκόνης που είναι γύρω τους.

Επί δύο χρόνια, ο Evans σύγκρινε αρκετές δεκάδες γαλαξίες που φιλοξενούν στο κέντρο τους μελανές οπές με πανίσχυρους πίδακες (αυτοί οι γαλαξίες είναι γνωστοί ως ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες, ή AGN, που εκπέμπουν ραδιοκύματα και συχνά λέγονται DRAGNs – διπλές ραδιοπηγές που συνδέονται με γαλαξιακούς πυρήνες), αλλά και με γαλαξίες με πολύ μεγάλες μελανές οπές που όμως δεν έχουν πίδακες. Όλες οι μελανές οπές – με και χωρίς πίδακες – έχουν δίσκους συσσώρευσης από σκόνη και αέρια, που στρέφονται λίγο πιο έξω από τον ορίζοντα γεγονότων της μελανής οπής.

Προσομοίωση με πίδακες από μελανές οπές σε ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες τύπου blazar. Δείχνει μια μελανή οπή να τραβάει μέσα της γειτονική ύλη (κίτρινο χρώμα) και να εκτινάσσει μακριά πίσω στο σύμπαν ενέργεια με τη μορφή ενός πίδακα (μπλε και κόκκινο), που συγκρατείται μαζί με την βοήθεια του μαγνητικού πεδίου (οι γραμμές είναι σε πράσινο χρώμα)

Παρατηρώντας το φως που αντανακλάται στον δίσκο προσαύξησης της μελανής οπής ενός AGN, ο Evans κατέληξε στο συμπέρασμα ότι πίδακες μπορεί να σχηματιστούν λίγο πιο έξω από τις μελανές οπές, οι οποίες έχουν μια ανάδρομη περιστροφή – ή περιστροφή προς την αντίθετη κατεύθυνση από τον δίσκο προσαύξησης τους. Παρά το γεγονός ότι ο Evans και ένας συνάδελφος του πρόσφατα υπέθεσαν ότι οι βαρυτικές επιδράσεις του σπιν της μελανής οπής μπορεί να έχουν να κάνουν με το γιατί ορισμένες μελανές οπές έχουν πίδακες, τώρα ο Evans έχει κάνει παρατηρήσεις που δείχνουν την υποστήριξη της θεωρίας του σε μια δημοσίευση στο Astrophysical Journal.

Παρά το γεγονός ότι ο Evans είχε υπόνοιες, επί περίπου πέντε χρόνια, ότι στις ανάδρομες μελανές οπές με πίδακες λείπουν οι πιο εσωτερικές περιοχές του δίσκου προσαύξησης τους, τελικά μετά από υπολογισμούς σε παρατηρησιακά δεδομένα που συλλέχθηκαν από τα τέλη του 2007 έως τις αρχές του 2008 από το ιαπωνικό δορυφορικό παρατηρητήριο Suzaku, φάνηκε ότι υποστηρίζουν τη θεωρία του. Με αυτά τα δεδομένα, ο Evans και οι συνεργάτες του από πολλά ερευνητικά ιδρύματα ανέλυσαν τα φάσματα του ενεργού γαλαξιακού πυρήνα με ένα ζευγάρι πίδακες, ο οποίος βρίσκεται κάπου 800 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά, σε ένα AGN που λέγεται 3C 33.

Εικόνα στα 1477 MHz του 3C 33. Ο Patrick Ogle, βοηθός ερευνητής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας που μελετά τα AGN, πιστεύει ότι η θεωρία Evans σχετικά με την ανάδρομη περιστροφή είναι μία από τις καλύτερες εξηγήσεις που έχει ακούσει για το γιατί οποίους ορισμένοι AGN περιέχουν μια υπερμεγέθη μελανή οπή με πίδακες ενώ άλλες δεν έχουν.

Οι αστροφυσικοί μπορεί να δουν τις υπογραφές της εκπομπής ακτίνων-Χ από τις εσωτερικές περιοχές του δίσκου προσαύξησης, που βρίσκεται κοντά στην άκρη μιας μελανής οπής, ως το αποτέλεσμα ενός σούπερ θερμού ατμοσφαιρικού δακτυλίου ή κορώνα, που βρίσκεται πάνω από το δίσκο και εκπέμπει φως (ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία), που ένα παρατηρητήριο σαν το ιαπωνικό Suzaku μπορεί να ανιχνεύσει. Εκτός από αυτό το άμεσο φως, ένα κλάσμα του φωτός που περνάει κάτω από το στέμμα πάνω στον δίσκο προσαύξησης της μελανής οπής και ανακλάται από την επιφάνεια του δίσκου, έχει σαν αποτέλεσμα ένα μοτίβο της φασματικής υπογραφής, που ονομάζεται κύρτωμα ανάκλασης Compton, που επίσης έχει εντοπιστεί από το Suzaku.

Όμως ποτέ η ομάδα του Evans δεν βρήκε ένα κύρτωμα ανάκλασης Compton στο φάσμα εκπομπής ακτίνων-Χ το οποίο εκπέμπεται από το 3C 33, μια διαπίστωση που οι ερευνητές πιστεύουν ότι τους παρέχει κρίσιμη απόδειξη ότι ο δίσκος προσαύξησης μιας μελανής οπής με πίδακα έχει περικοπεί, που σημαίνει ότι δεν εκτείνεται πολύ κοντά στο κέντρο της μελανής οπής με πίδακα, όπως κάνει για μια μελανή οπή που δεν έχει πίδακα. Η απουσία αυτού του πιο εσωτερικού τμήματος του δίσκου σημαίνει ότι δεν υπάρχει κάτι που να μπορεί να αντανακλά το φως από το στέμμα, γεγονός που εξηγεί γιατί οι παρατηρητές βλέπουν μόνο ένα άμεσο φάσμα του φωτός ακτίνων-Χ.

Οι ερευνητές τελικά πιστεύουν ότι η απουσία του εσωτερικού τμήματος ενδέχεται να προκύπτει από την ανάδρομη περιστροφή, η οποία σπρώχνει μακριά από την τροχιά του το πιο εσωτερικό τμήμα του υλικού στον δίσκο συσσώρευσης, ως αποτέλεσμα της γενικής σχετικότητας, ή της βαρυτικής έλξης μεταξύ των μαζών. Αυτή λοιπόν η έλλειψη δημιουργεί ένα χάσμα μεταξύ του δίσκου και του κέντρου της μελανής οπής οδηγώντας σε μια αύξηση των μαγνητικών πεδίων και τα οποία παρέχουν την δύναμη να τροφοδοτούν έναν πίδακα.

ΙΔ. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ: ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ – ΚΑΤΑΛΗΚΤΙΚΑ ΣΗΜΕΙΑ

1. Οι νευτώνειοι νόμοι μας προειδοποιούν ότι κάτι περίεργο συμβαίνει όταν η ταχύτητα διαφυγής από ένα αστέρι ισούται με την ταχύτητα του φωτός. Αυτό συνηδειτοποιήθηκε το 1784 από τον John Mitchell, πρύτανη του Thornhill στο Yorkshire, που ήταν ένας καινοτόμος αστρονόμος. Για να ξεφύγει από την επιφάνεια του Ήλιου ένα σωματίδιο πρέπει να έχει ταχύτητα 1/500 της ταχύτητας του φωτός. Ο Mitchell υποστήριξε ότι αν ένα αστέρι έχει την ίδια μέση πυκνότητα όπως τον ήλιο, αλλά μια ακτίνα 500 φορές μεγαλύτερη, τότε το φως θα είναι σε θέση να ξεφύγει από την επιφάνεια του αστεριού. Ο William Herschell εντυπωσιάστηκε με το επιχείρημα του Mitchell και το χρησιμοποίησε για να ερμηνεύσει κάποιες από τις δικές του παρατηρήσεις (λανθασμένα όπως γνωρίζουμε τώρα). Η αναζήτηση για στοιχεία των μελανών οπών είναι πάνω από 200 ετών!

Ο Mitchell χρησιμοποίησε την ιδέα του Νεύτωνα ότι οι ακτίνες φωτός αποτελούνται από σωματίδια, και υπέθεσε ότι υπακούουν στις εξισώσεις της νευτώνειας κίνησης. Η ταχύτητα διαφυγής U_esc από ην επιφάνεια ενός σώματος μάζας Μ και ακτίνας R είναι δίνεται από

και όταν είναι ίση με την ταχύτητα του φωτός c, η ακτίνα είναι:

και το φως σβήνει, γιατί δεν μπορεί να ξεφύγει. Είναι ενδιαφέρον ότι η Νευτώνεια Θεωρία σε αυτή την περίπτωση δίνει ακριβώς το ίδιο αποτέλεσμα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας. Το επιχείρημα του Mitchell ήταν το εξής: Όταν η πυκνότητα παραμένει σταθερή, η μάζα Μ είναι ανάλογη με την R³ , και ως εκ τούτου, από την πιο πάνω εξίσωση, η U_esc είναι ανάλογη προς την R. Η ταχύτητα διαφυγής από τον Ήλιο είναι 600 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο, ή 1/500 της ταχύτητας του φωτός. Όταν η ακτίνα αυξάνεται κατά ένα παράγοντα 500, η ταχύτητα διαφυγής ισούται με την ταχύτητα του φως. Ο Pierre Simon Marquis de Laplace, στο Exposition of the System of the World, που δημοσιεύθηκε στο τέλος του δέκατου όγδοου αιώνα, ίσως γνωρίζει το έργο του Μίτσελ, έκανε μια παρόμοια πρόβλεψη: «η ελκτική δύναμη ενός ουράνιου σώματος θα μπορούσε να είναι τόσο μεγάλη ώστε το φως δεν θα μπορούσε να ρέει έξω από αυτό.

2. Όταν η βαρύτητα σε ένα αστέρι υπερνικά όλες τις πιθανές μορφές πίεσης, το αστέρι καταρρέει, και τίποτα δεν μπορεί να το σταματήσει. Ο χρόνος που απαιτείται για να κατάρρευση σε ελεύθερη πτώση είναι περίπου

Αν γράψετε Μ = 4πρR/3, όπου ρ είναι η μέση πυκνότητα, βρίσκουμε:

Πιο συγκεκριμένα, όπως βρήκε ο Kelvin το 1902, η βαρυτική κατάρρευση του χρόνου είναι:

όπου ρ είναι η πυκνότητα σε γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό. Ένα αστέρι παρόμοιο με τον ήλιο έχοντας μία μέση πυκνότητα 1 γραμμάριο ανά κυβικό εκατοστό καταρρέει στη μηδενική ακτίνα σε 35 λεπτά, σύμφωνα με την νευτώνεια θεωρία. Σύμφωνα με τη θεωρία της γενικής σχετικότητας το αστέρι δεν μπορεί να καταρρεύσει σε μηδενική ακτίνα σε έναν πεπερασμένο χρόνο του μακρινού παρατηρητή. Το αποτέλεσμα στην εξίσωση δίνει, ωστόσο, τον κατά προσέγγιση χρόνο για ένα σώμα της μέσης πυκνότητας ρ να καταρρεύσει σε μια μελανή οπή, και κατά προσέγγιση χρόνο για να φτάσει τη μοναδικότητα για έναν παρατηρητή που πέφτει με το σώμα.

3. Ο Karl Schwarzschild το 1916, λίγο μετά που ο Αϊνστάιν είχε δημοσιεύσει την τελική έκδοση του για τη γενική σχετικότητα, είχε λύσει την εξίσωση του Αϊνστάιν για το χωρόχρονο ενός σφαιρικού μη περιστρεφόμενου σώματος. Η λύση αυτή δίνει τη μετατόπιση προς το ερυθρό και είναι άπειρη όταν ένα σώμα έχει μια ακτίνα

τώρα γνωστή ως ακτίνα Schwarzschild. Είναι ενδιαφέρον το γεγονός ότι η γενική σχετικότητα δίνει το ίδιο αποτέλεσμα με τη νευτώνεια θεωρία, για πολύ διαφορετικούς λόγους.

Το 1930, ο Subrahmanyan Chandrasekhar έδειξε ότι οι λευκοί νάνοι μάζας μεγαλύτερης από 1,4 ηλιακών μαζών δεν μπορεί να υποστηριχθουν ενάντια στην βαρύτητα και καταρρέουν.

Το 1934, οι Walter Baade και Fritz Zwicky προέβαλαν την ιδέα των αστέρων νετρονίων. Πρότειναν ότι αυτοί οι πολύ πυκνείς φορείς, με την πυκνότητα του πυρήνα ενός ατόμου, γεννιόνται από καταστροφικά αστρικά γεγονότα που ονομάζονται supernova. Αυτό ήταν μόλις δύο χρόνια μετά την ανακάλυψη του νετρονίου από τον James Chadwick.

Οι Robert Oppenheimer και George Volkoff το 1939 χρησιμοποίησαν γενική σχετικότητα για να διερευνήσουν τη δομή των αστέρων νετρονίων. Την ίδια χρόνια, οι Oppenheimer και Hartland Snyder μελέτησαν την κατάρρευση ενός σφαιρικύ σώματος από τις απόψεις ενός αδρανούς και ενός επιταχυνόμενου ελελυθερα παρατηρητή.

Το 1963, ο Roy Kerr ανακάλυψε τη γενική λύση της σχετικότητας για περιστρεφόμενες μελανές οπές, ισοδύναμη με τη λύση του Schwarzschild για μη περιστρεφόμενες μελανές οπές. Η ανακάλυψη των κβάζαρ το 1963 ανανέωσε το ενδιαφέρον για τη θεωρία της βαρύτητας, και την ίδια χρονιά οι Fred Hoyle και William Fowler υποστήριξαν ότι η ενέργεια απελευθερώνεται είναι βαρύτητας στην προέλευση και προέρχεται από υπερμεγέθεις φορείς στους πυρήνες των γιγαντιαίων γαλαξιών. Ο Edwin Salpeter του Πανεπιστημίου του Cornell και ο Y. Zel’dovich στη Μόσχα πρότειναν το 1964 ότι τα υπερμεγέθη αντικείμενα είναι μελανές οπές. Τα πάλσαρ ανακαλύφθηκαν το 1967 και ο Thomas Gold το 1968 πρότεινε ότι τα πάλσαρ περιστρέφουν τα αστέρια νετρονίων.

Ο όρος μελανή οπή εκδόθηκε για πρώτη φορά από τον John Wheeler το 1968 σε ένα άρθρο με τίτλο «Το σύμπαν μας: το γνωστό και το άγνωστο”. Ο Roger Penrose το 1969 έδειξε ότι η ενέργεια μπορεί να εξαχθεί από τις περιστρεφόμενες μελανές οπές. Ο Hawking πρότεινε το 1971 ότι αρχέγονες μελανές οπές σχηματίστηκαν στο πρώιμο σύμπαν. Πολλές άλλες ανακαλύψεις έχουν έχουν γίνει σχετικά με τη φύση των μελανών οπών, η πιο σημαντική από τις οποίες είναι η δήλωση του Hawking το 1974 ότι οι μελανές οπές εκπέμπουν θερμική ακτινοβολία.

4. Η μάζα Planck που αναφέρεται στην εργασία υπολογίζεται εύκολα. Υποθέτουμε ότι ένα σωματίδιο μάζας mp, βαρυτικού μήκους

είναι ίσo με το μήκος κύματος Compton

Οπότε:

και

Ο αντίστοιχος χρόνος Planck:

Οι εξοικειωμένες μονάδες μάζας (γραμμάρια και κιλά), μήκυς (εκατοστά και μέτρα), και χρόνου (δευτερόλεπτα και χρόνια) καθορίζονται από ανθρώπινες μονάδες και δεν είναι καθολικές. Εξωγήινα νοήμονα όντα έχουν άλλες διαφορετικές μονάδες. Ο Max Planck έδειξε ότι οι φυσικές σταθερές G, c, h, προσφέρουν ένα σύνολο καθολικών και φυσικών μονάδων.

5. Θα μπορούσαμε να υπολογίσουμε την εντροπία μιας μελανής οπής κατά προσέγγιση. Αποδεικνύεται ότι η εντροπία του σύμπαντος σχετίζεται με το τον αριθμό των φωτονίων που περιέχει πολλαπλασιαζόμενο με τη σταθερά του Boltzmann k. Ο αριθμός Ν των φωτονίων (και άλλων σωματιδίων) που εκπέμπονται από τη μελανή οπή είναι η συνολική ενέργεια Mc², διαιρούμενη με τη χαρακτηριστικη ενέργεια

των μεμονωμένων φωτονίων. Με το μήκος κύματος να είναι ίσο με την περιφέρεια

βρίσκουμε:

Έτσι, μια μελανή οπή ηλιακής μάζας εκπέμπει συνολικά 1078 φωτόνια. Αυτό είναι ένα μέτρο της εντροπίας του, και όταν η μελανή οπή έχει εξατμιστεί, έχει δώσει όλη αυτή την εντροπία στο σύμπαν. Σημειώνουμε ότι ο αριθμός των φωτονίων που εκπέμπονται είναι ανάλογος με Μ2 και ως εκ τούτου ανάλογη με την επιφάνεια 4πR2, και ως εκ τούτου, η εντροπία μιας μελανής οπής είναι ανάλογη προς την επιφάνειά της περιοχής.

ΙΕ. ΜΙΑ ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ

Στις αρχές του εικοστού αιώνα, ο Einstein ο παρουσίασε, στο πλαίσιο της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, ένα μοντέλο βαρύτητας εντελώς διαφορετικό από αυτό του Νεύτωνα. Συνέλαβε το πεδίο βαρύτητας σαν μια γεωμετρική στρέβλωση του τετρασδιάστατου χώρου και χρόνου. Συνειδητοποίησε ότι τα υλικά σώματα δημιουργούν «βαθουλώματα» στον χώρο και τον χρόνο, περίπου όπως μια βαριά σφαίρα τοποθετημένη πάνω σε ένα μεγάλο υδατόστρωμα δημιουργεί ένα βαθούλωμα στη δισδιάστατη επιφάνεια του. Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα της σφαίρας, τόσο μεγαλύτερο θα είναι το βαθούλωμα ή η στρέβλωση. Αν στείλουμε μια μπίλια να κυλήσει πανω στο υδατόστρωμα, αλλά μακριά από τη σφαίρα, η μπίλια θα κυλήσει σε ευθεία τροχιά. Αν όμως τη στείλουμε κοντά στη σφαίρα, η τροχιά θα καμπυλωθεί, καθώς η μπίλια θα κυλά πάνω στη βαθουλωμένη επιφάνεια του υδατοστρώματος. Αν η καμπύλη κλεινει στον εαυτό της, η μπίλια θα τεθεί σε ελλειπτική ή κυκλική τροχιά γύρω από τη σφαίρα. Αν φορέσετε τα «νευτώνεια» γυαλιά σας, που σας επιτρέπουν να βλέπετε τη σφαίρα και την μπίλια, άλλα όχι το στρώμα, θα καταλήξετε πιθανότατα στο συμπέρασμα ότι η μπίλια ακολουθεί καμπύλη τροχιά επειδή έλκεται από τη σφαίρα. Αν φορέσετε τα «αινστάνεια» γυαλιά σας, που σας επιτρέπουν να βλέπετε την μπίλια και το καμπυλωμένο στρώμα, άλλα όχι την «απομακρυσμένη» σφαίρα, θα καταλήξετε μάλλον στο συμπέρασμα ότι η μπίλια διαγράφει καμπύλη επειδή η επιφάνεια πάνω στην οποία κινείται είναι καμπυλωμένη στις δύο διαστάσεις για το στρώμα και στις τέσσερις για το τον χώρο και τον χρόνο.

Υποθέστε ότι ήσασταν άτρωτος και ότι μπορούσατε να μεταβείτε με ένα διαστημόπλοιο μέχρι την επιφάνεια ενός άστρου. Το βάρος σας θα εξαρτώνταν από τη μάζα τη δική σας και του άστρου, καθώς και από την απόσταση μεταξύ του κέντρου του άστρου και του ομφαλού σας. Αν το άστρο εξαντλούσε τα «καύσιμα» του και κατέρρεε στο μισό της αρχικής ακτίνας χωρίς να μεταβληθεί η μάζα του, το βάρος σας στην επιφάνεια του, το οποίο καθορίζεται από τον νόμο του αντιστρόφου τετραγώνου, θα τετραπλασιάζονταν. Αν το άστρο κατέρρεε στο 1/10 της αρχικής ακτίνας, το βάρος σας στην επιφάνεια του θα εκατονταπλασιάζονταν. Αν το άστρο συνέχιζε να συρικνώνεται, ο βαρυτικό πεδίο στην επιφάνεια του γίνονταν συνεχώς ισχυρότερο. Θα ήταν όλο και πιο δύσκολο να διαφύγει από αυτό ένα διαστημόπλοιο. Η ταχύτητα που θα απαιτούνταν για να διαφύγει, η λεγόμενη ταχύτητα διαφυγής θα αυξανόνταν. Αν ένα άστρο παρόμοιο με τον Ήλιο μας κατέρρεε σε ακτίνα μικρότερη από τρία χιλιόμετρα, η ταχύτητα διαφυγής από την επιφάνεια του θα υπερέβαινε την ταχύτητα του φωτός, και τίποτα -ούτε καν το φως- δεν θα μπορούσε να διαφύγει! Ο Ήλιος θα ήταν αόρατος. Θα ήταν μια μελανή οπή.

Στην πραγματικότητα, ο Ήλιος δεν έχει αρκετή μάζα για να υποστεί τέτοια κατάρρευση. Μερικά άστρα, όμως με μεγαλύτερες-η ελάχιστη απαιτούμενη μάζα σύμφωνα με τις σημερινές εκτιμήσεις είναι 1.5 φορές αυτή του Ήλιου-όταν εξαντλήσουν τα πυρηνικά τους καύσιμα υφίστανται κατάρρευση, και η κατάρρευση αυτή συνεχίζεται μέχρις ότου η πυκνότητα τους να γίνει άπειρη, εκτός και αν περιστρέφονται πολύ γρήγορα. Η βαρυτική έλξη κοντά σε αυτά τα συρρικνωμένα άστρα είναι τόσο ισχυρή που ακόμη και το φως δεν μπορεί να διαφύγει από τις περιοχές του χώρου. Τα άστρα αυτά έχουν συνθλιβεί τόσο, που δεν ανήκουν πια στην ορατή πραγματικότητα. Έχουν μετατραπεί σε μελανές οπές, που είναι εντελώς αόρατες.

Η μάζα μιας μελανής οπής δεν υπερβαίνει τη μάζα του άστρου που κατέρρευσε. επομένως, το βαρυτικό πεδίο σε περιοχές που βρίσκονται σε απόσταση ίση ή μεγαλύτερη από την αρχική ακτίνα του άστρου δεν διαφέρει από το πεδίο που υπήρχε πριν από την κατάρρευση. Σε μικρότερες αποστάσεις, όμως, κοντά στη μελανή οπή, το βαρυτικό πεδίο μπορεί να είναι ασύλληπτα ισχυρό-μια στρεβλωμένη περιοχή του χώρου, μέσα στην οποία παρασύρεται αναπότρεπτα οτιδήποτε βρεθεί σε κοντινή απόσταση, είτε αυτό είναι φως, είτε σκόνη, είτε διαστημόπλοιο. Ένα αρκετά ισχυρό διαστημόπλοιο θα μπορούσε να πλησιάσει μέχρι τις παρυφές αυτής της στρεβλωμένης περιοχής και να καταφέρει να διαφύγει. Αν όμως, πλησίαζε περισσότερο από κάποια δεδομένη απόσταση, δεν θα μπορούσε πλέον να διαφύγει και θα εξαφανίζονταν από το παρατηρήσιμο σύμπαν. Οποιοδήποτε αντικείμενο που θα έπεφτε μέσα σε μια μελανή οπή θα διαμελιζόνταν. Κανένα «χαρακτηριστικό» του δεν θα επιζούσε, εκτός από τη μάζα του, την (ενδεχόμενη) στροφορμή του, και το (ενδεχόμενο) ηλεκτρικό του φορτίο.

Μια θεωρητική οντότητα που παρουσιάζει κάποια οντότητα με μελανή οπή είναι η λεγόμενη «σκουληκότρυπα», ένα είδος «χωροσήραγγας». Η σκουληκότρυπα συνιστά, όπως και η μελανή οπή, μια τρομακτική παραμόρφωση στον χώρο και τον χρόνο. Αντίθετα, όμως, από αυτήν, δεν αντιπροσωπεύει την κατάρρευση του χωροχρόνου προς ένα σημείο άπειρης πυκνότητας, αλλά ανοίγει και πάλι σε κάποια άλλη περιοχή του σύμπαντος-ή ακόμη, σύμφωνα με κάποιες υποθέσεις, σε κάποιο άλλο σύμπαν. Ενώ η ύπαρξη των μελανών οπών έχει επιβεβαιωθεί παρατηρησιακά,, οι σκουληκότρυπες παραμένουν θεωρητική εικασία. Αφού, όμως, οι ίδιοι νόμοι της φυσικής που εξηγούν τις μελανές οπές προβλέπουν και τη δυνατότητα να υπάρχουν σκουληκότρυπες, μια μελλοντική επιβεβαίωση της ύπαρξης δεν θα θεωρηθεί έκπληξη. Ορισμένοι φυσικοί εικάζουν ότι οι σκουληκότρυπες πιθανόν να καταστήσουν εφικτά τα ταξίδια στον χρόνο.

Δεδομένου ότι δεν υπάρχει κυριολεκτικά κανενας τροπος να δούμε μια μελανή οπή ,οπή πώς μπορεί να ανιχνευτεί ένα τέτοιο σώμα. Η απάντηση είναι ότι η παρουσία ενός τέτοιου αντικειμένου μπορεί να γίνει αντιληπτή από την βαρυτική του επίδραση στα γειτονικά άστρα. Σήμερα, διαθέτουμε επαρκείς ενδείξεις ότι ορισμένα διπλά αστρικά συστήματα αποτελούνται από ένα φωτεινό άστρο και ένα αόρατο συνοδό με ιδιότητες μελανής οπής, τα οποία κινούνται σε τροχιά το ένα γύρω από το άλλο. Ακόμη πιο αδιάσειστα παρατηρησιακά στοιχεία υποδεικνύουν την ύπαρξη μελανών οπών μεγαλύτερης μάζας στο κέντρο πολλών γαλαξίων. Σε ένα μικρής ηλικίας γαλαξία, που έχει τη μορφή ενός «κβάζαρ», η κεντρική μελανή οπή προσροφά ύλη, η οποία καθώς βυθίζεται στη λήθη εκπέμπει έντονη ακτινοβολία. Σε έναν μεγαλύτερης ηλικία γαλαξία, τα άστρα φαίνονται να κινούνται σε τροχιά σε ένα ισχυρό βαρυτικό πεδίο γύρω από ένα φαινομενικά κενό κέντρο. Αυτές οι γαλαξιακές μελανές οπές έχουν μάζες που κυμαίνονται από εκατομμύρια μέχρι περισσότερο από ένα δισεκατομμύριο ηλιακές μάζες. Το κέντρο του δικού μας γαλαξία, παρ’όλο που δεν είναι τόσο εύκολο να μελετηθεί παρατηρησιακά όσο τα κέντρα άλλων γαλαξιών, είναι σχεδόν βέβαιο ότι φιλοξενεί μια μελανή οπή. Ο ρυθμός με τον οποίο έρχονται στο φως τα νέα επιστημονικά δεδομένα είναι τόσο γρήγορος, που εκ των πραγμάτων ένα διδακτικό εγχειρίδιο δεν μπορεί να τον παρακολουθήσει.

ΙΣΤ. ΕΠΙΛΟΓΟΣ

Υπάρχουν σήμερα αρκετοί θεωρητικοί κοσμολόγοι (όπως οι Έντουαρντ Τράιον, Άλαν Γκουθ, Άλεξ Βιλένκιν κ.ά.), οι οποίοι έχουν προτείνει την ύπαρξη ενός «άπειρου» αριθμού παράλληλων συμπαντικών μανάδων και μωρών. Μία από τις θεωρητικές αυτές απόψεις είναι και η ιδέα ότι το Σύμπαν στο οποίο ζούμε βρίσκεται στο εσωτερικό μιας μελανής οπής και ότι αυτό είναι ένα μόνο από έναν «άπειρο» αριθμό συμπάντων!

Η αρχική ιδέα αυτής της θεώρησης του Σύμπαντος διατυπώθηκε για πρώτη φορά το 1973 από τον Έντουαρντ Τράιον. Προκειμένου να γίνει κατανοητή η άποψη αυτή θεωρούμε ότι το Σύμπαν είναι η επιφάνεια των δύο διαστάσεων ενός μπαλονιού που φουσκώνει. Πάνω σ’ αυτήν την επιφάνεια φανταζόμαστε ένα μικροσκοπικό ανεύρυσμα (ένα μικρό «σπυράκι» ή μία μικρή «φουσκάλα»), το οποίο δεν είναι παρά η «ανώμαλη ιδιομορφία» μιας μελανής οπής στο αρχικό Σύμπαν.

Φανταζόμαστε τώρα ότι το ανεύρυσμα αυτό αρχίζει να διαστέλλεται σε ένα νέο πλαίσιο διαστάσεων χώρου και χρόνου έξω και αυτόνομα από το χωρόχρονο του αρχικού Σύμπαντος (του αρχικού μπαλονιού).

Δημιουργείται έτσι ένα νέο μπαλόνι που φουσκώνει αυτόνομα σαν ένα νέο διαστελλόμενο Σύμπαν, το οποίο όμως συνδέεται με το αρχικό Σύμπαν με μία σήραγγα που μοιάζει με σκουληκότρυπα. Σ’ αυτήν την περίπτωση τα δύο σύμπαντα (μάνα και μωρό) συνεχίζουν κανονικά την αυτόνομη εξέλιξή τους χωρίς όμως καμία επικοινωνία μεταξύ τους, όπως ίσως να έγινε και στην περίπτωση του δικού μας Σύμπαντος στο χρόνο 10-35 του πρώτου δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Μ’ αυτήν την έννοια, λοιπόν, το Σύμπαν στο οποίο ζούμε ίσως να είναι το πετυχημένο αποτέλεσμα μιας μελανής οπής, που βρίσκεται σε κάποιο άλλο παράλληλο με το δικό μας Σύμπαν, ενώ κάθε μία από τις υπόλοιπες μελανές οπές του δικού μας Σύμπαντος ίσως να είναι κι αυτή υποψήφια να γίνει ένα νέο σύμπαν-μωρό, που με τη σειρά του θα μπορέσει, αν επιζήσει, να δημιουργήσει και άλλα σύμπαντα «εις το διηνεκές».

Πολλά από τα παράλληλα σύμπαντα-μωρά φυσικά δεν κατορθώνουν να μεγαλώσουν πέρα από το μέγεθος που έχει το μήκος του Planck, αφού

αμέσως μετά τη γέννησή τους καταρρέουν καταπίνοντας τον εαυτό τους. Τα τυχερά όμως παράλληλα σύμπαντα-μωρά, που κατορθώνουν να αναπτύξουν μια πληθωριστική διαστολή αμέσως μετά τη δημιουργία τους, όχι μόνο δεν κινδυνεύουν να καταρρεύσουν, αλλά μπορεί επίσης και να δημιουργήσουν τεράστιες ποσότητες ενέργειας και ύλης, με την εμφάνιση εικονικών σωματιδίων, συνεχίζοντας έτσι την αυτόνομη διαστολή και ύπαρξή τους._

ΙΖ. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

A Black Hole in our Galactic Centre – M.J.Ruiz (Physics Teacher Vol. 46 Jan. 2008)

An Introduction to Black Holew Information and the String Theory – L.Susskind & J.Lindesay (World Scientific Publishing)

Atlas of the Universe – P.Moore (Philip’s)

Black Holes – Don Nardo (Lucent Books)

Encyclopedia of Astronomy and Astrophysics (Nature Publishing Group 2001)

Cosmology – E.Harrison (Cambridge University Press)

Three Steps to the Universe – D.Garfinkle & R.Garfinkle (The University of Chicago Press)

Αστροφυσική / Τόμος Ι – S.H.Frank

Εισαγωγή στη Σύγχρονη Αστρονομία – Γ.Σειραδάκης & Χ.Βαρβόγλης (Γαρταγάνης)

Η Φυσική Σήμερα / Τόμος ΙΙ – Ε.Οικονόμου (Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης)

Οι έννοιες της Φυσικής – P.G.Hewitt (Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης)

Περι Αστέρων και Συμπάντων – Β.Ξανθόπουλος (Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης)

Σύγχρονη Φυσική – R.A.Serway, C.J.Moses, C.A.Mayer (Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης)

Το Σύμπαν σε ένα Καρυδότσουφλο – S.Hawking (Κάτοπτρο)

Το Χρονικό του Χρόνου – S.Hawking (Κάτοπτρο)

www.nasa.org

Mελανές Οπές, το Τελευταίο Στάδιο των Αστέρων

Share:

More Posts

Πειραματόζωα: Η Πικρή Αλήθεια – Η Απανθρωπιά, το Ηθικό Δίλημμα, όλα τελικά Θυσιάζονται στο Βωμό της Επιστήμες;

Πειραματόζωα. Η Ηθική Διάσταση του Ζητήματος. Αναγκαίο Κακό – Επιστήμη – Βαρβαρότητα

Μελετήστε το Λογισμικό Interactive Physics

Μαύρες Τρύπες στη Μαγνητόσφαιρα της Γης

Send Us A Message