Φωτογραφίζοντας μια μαύρη τρύπα

Μέχρι πρότινος, η ρεαλιστικότερη απεικόνιση μαύρης τρύπας που είχαμε στη διάθεσή μας προερχόταν από την ταινία “Interstellar”, την επιστημονική επιμέλεια της οποίας είχε αναλάβει ο νομπελίστας αστροφυσικός Kip Thorne. Από τις 10 Απριλίου 2019 δε χρειάζεται πλέον να καταφεύγουμε σε καλλιτεχνικές αναπαραστάσεις, καθώς η σύμπραξη τηλεσκοπίων «Ορίζοντας Γεγονότων» (Event Horizon Telescope Collaboration) δημοσίευσε την πρώτη φωτογραφία μιας πραγματικής μαύρης τρύπας.

Φωτογραφία της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας στο κέντρο του γαλαξία Μ87. Πηγή: Event Horizon Telescope Collaboration

Οι μαύρες τρύπες προβλέπονται από τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν και δημιουργούνται λόγω της βαρυτικής κατάρρευσης αστέρων με μάζα δεκάδες φορές μεγαλύτερη από του Ήλιου. Στη διάρκεια της ζωής του, ένας τέτοιος αστέρας συγκρατεί το βάρος του λόγω της αδιάκοπης παραγωγής ενέργειας στο εσωτερικό του, μέσω της διαδικασίας της πυρηνικής σύντηξης. Η εξάντληση των ενεργειακών του αποθεμάτων σηματοδοτεί το βίαιο τέλος της ζωής του, αρχικά μέσω μιας εντυπωσιακής έκρηξης supernova, που αποτελεί και το κύκνειο άσμα του, και εν συνεχεία μέσω της ολικής του κατάρρευσης λόγω βαρύτητας. Ό,τι απέμεινε από το άστρο θα παραμείνει αιώνια παγιδευμένο μέσα στη βαρυτική «τρύπα» που δημιουργήθηκε, από την οποία αδυνατεί να ξεφύγει ακόμα και ο ταχύτερος δρομέας στο σύμπαν, το φως, καθιστώντας τη παντελώς μαύρη.

Η γενική θεωρία της σχετικότητας ορίζει τον χώρο και τον χρόνο ως μία ενιαία οντότητα, τον χωροχρόνο. Η παρουσία ύλης προκαλεί την καμπύλωση του χωροχρόνου, με τον ίδιο τρόπο που καμπυλώνεται ένα τεντωμένο σεντόνι εάν ένα βαρύ αντικείμενο τοποθετηθεί επάνω του. Με αυτόν τον τρόπο εξηγείται από τη θεωρία του Αϊνστάιν η βαρύτητα, ως η έλξη που δέχεται ένα σώμα εάν βρεθεί στον καμπυλωμένο χώρο που δημιουργεί η παρουσία κάποιου άλλου σώματος. Έτσι ερμηνεύεται, για παράδειγμα, η ελεύθερη πτώση ενός αντικειμένου στην επιφάνεια της Γης και η περιφορά των πλανητών γύρω από τον Ήλιο. Η βαρύτητα επηρεάζει ακόμα και το φως, το οποίο, περνώντας κοντά από ένα ισχυρό βαρυτικό πεδίο, όπως αυτό μιας μαύρης τρύπας, αναγκάζεται να ακολουθήσει καμπυλόγραμμη τροχιά, καθώς διαδίδεται εντός του καμπυλωμένου χώρου.

Σε μια ακτίνα γύρω από το κέντρο της μαύρης τρύπας, η καμπύλωση του χωροχρόνου είναι τόσο έντονη που ακόμα και το φως δεν μπορεί πλέον να διαφύγει. Η «επιφάνεια» που ορίζεται με αυτόν τον τρόπο ονομάζεται «ορίζοντας γεγονότων» και, μιας και δεν εκπέμπει φως, δεν υπάρχει κανένας τρόπος να τη δούμε. Παρόλα αυτά, μπορούμε να ανιχνεύσουμε φως το οποίο οριακά διαφεύγει από το βαρυτικό πεδίο της μαύρης τρύπας, περνώντας πολύ κοντά από τον ορίζοντα γεγονότων. Το φως αυτό σχηματίζει έναν δακτύλιο γύρω από τη μαύρη τρύπα, αποτυπώνοντας έμμεσα το είδωλό της ή, ορθότερα, σχηματίζοντας μια εικόνα της σκιάς της.

Καλλιτεχνική απεικόνιση: Φως πίσω από τη μαύρη τρύπα (αριστερά) διαφεύγει οριακά από τη βαρυτική της επίδραση και σχηματίζει έναν φωτεινό δακτύλιο, που περιβάλλει τη μαύρη τρύπα, στα τηλεσκόπιά μας (δεξιά). Πηγή: Nicolle R. Fuller/NSF

Στην ιστορική πρώτη φωτογραφία μαύρης τρύπας φαίνεται η κυκλική σκιά της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας στο κέντρο του γειτονικού γαλαξία Μ87, που βρίσκεται σε απόσταση 55 εκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη (δηλαδή σε μια απόσταση που το φως χρειάζεται 55 εκατομμύρια χρόνια για να διασχίσει). Σύμφωνα με κοσμολογικές παρατηρήσεις των τελευταίων ετών, τα κέντρα των γαλαξιών εμφανίζουν ασυνήθιστη δραστηριότητα, με πίδακες ύλης και εκπομπή ισχυρής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, η οποία μπορεί να ερμηνευτεί μόνο με την παρουσία υπερμεγέθων μαύρων τρυπών, με μάζα εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από του Ήλιου. Η μαύρη τρύπα του γαλαξία Μ87 έχει μάζα 6,5 δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από του Ήλιου και μέγεθος σχεδόν όσο ολόκληρο το ηλιακό μας σύστημα.

Παρόλα αυτά, δεδομένου ότι ο γαλαξίας Μ87 βρίσκεται τόσο μακριά, η παρατήρηση ακόμα και ενός τόσο μεγάλου αντικειμένου παραμένει τεράστια πρόκληση, καθώς τα τηλεσκόπια στη Γη είναι πολύ μικρά για να απεικονίσουν με ευκρίνεια τη μαύρη τρύπα. Έτσι, για να επιτευχθεί η απαιτούμενη ανάλυση, αξιοποιήθηκαν πολλά ραδιοτηλεσκόπια ανά τον κόσμο τα οποία, με χρήση των αρχών της συμβολομετρίας, δηλαδή του συνδυασμού των παρατηρούμενων σημάτων κάθε τηλεσκοπίου, ισοδυναμούν τελικά με ένα τεράστιο ραδιοτηλεσκόπιο με διάμετρο όση ολόκληρη η Γη. Από τον Απρίλιο του 2017, όταν άρχισαν οι παρατηρήσεις του Μ87, έχουν συλλεχθεί συνολικά 5 εκατομμύρια gigabyte δεδομένων που, μετά από μακρόχρονη επεξεργασία, μετατράπηκαν σε μια φωτογραφία μερικών εκατοντάδων kilobyte.

Το ραδιοτηλεσκόπιο του Ινστιτούτου Χιλιοστομετρικής Ραδιοαστρονομίας (IRAM) στην Ισπανία. ) στην Ισπανία. Πηγή: iram-institute.org

Από επιστημονικής άποψης, η φωτογραφία της μαύρης τρύπας του γαλαξία Μ87 είναι κάτι πολύ περισσότερο από μια απλή εικόνα. Αν και πολλές παρατηρήσεις και θεωρητικές έρευνες συνηγορούσαν συντριπτικά υπέρ της ύπαρξης αυτών των παράξενων αντικειμένων, η φωτογραφία αυτή διέλυσε κάθε αμφιβολία ότι οι μαύρες τρύπες αποτελούν πραγματικότητα. Το σχήμα και το μέγεθος της σκιάς της μαύρης τρύπας που παρατηρήθηκε συμφωνεί απόλυτα με τις προβλέψεις της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, ενώ η μάζα της είναι συμβατή με παρατηρήσεις που χρησιμοποιούν άλλες, πιο έμμεσες μεθόδους. Επιπλέον, η παρατήρηση αυτή επιβεβαιώνει την ύπαρξη υπερμεγέθων μαύρων τρυπών στα κέντρα των γαλαξιών και τις καθιστά υπεύθυνες για τα ακραία φαινόμενα που παρατηρούνται στους ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες. Παρατηρησιακά δεδομένα έχουν συλλεχθεί και για την υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στο κέντρο του δικού μας γαλαξία, η οποία ονομάζεται Sgr (Τοξότης) A* και είναι αρκετά μικρότερη (μερικά εκατομμύρια μάζες Ήλιου) σε σχέση με τη μαύρη τρύπα του γαλαξία Μ87. Όμως, το γεγονός ότι βρίσκεται πιο κοντά την κάνει ιδιαίτερα ευμετάβλητη, κάτι που δυσκολεύει περισσότερο την παρατήρηση της σκιάς της. Σε κάθε περίπτωση, αυτές αλλά και άλλες μελλοντικές παρατηρήσεις θα βοηθήσουν σημαντικά στη μελέτη των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών, της δημιουργίας τους και της επίδρασής τους στην εξέλιξη των γαλαξιών, όπως και στην κατανόηση του ρόλου τους ως πηγών ενέργειας στα κέντρα των ενεργών γαλαξιών.

Παντελής Πνιγούρας