Οι φυσικοί θεωρούν ότι οι μαύρες τρύπες είναι ένα από τα πιο μυστηριώδη αντικείμενα που υπάρχουν. Κατά ειρωνικό τρόπο, θεωρούνται και από τα πιο εύκολα. Για χρόνια, φυσικοί σαν εμένα προσπαθούν να αποδείξουν ότι οι μαύρες τρύπες είναι πιο περίπλοκες από όσο φαίνονται. Και μια πρόσφατα εγκεκριμένη ευρωπαϊκή διαστημική αποστολή που ονομάζεται LISA θα μας βοηθήσει σε αυτό το κυνήγι.
Έρευνα από τη δεκαετία του 1970 υποδηλώνει ότι μια μαύρη τρύπα μπορεί να περιγραφεί αναλυτικά χρησιμοποιώντας μόνο τρία φυσικά χαρακτηριστικά – τη μάζα, το φορτίο και το σπιν της. Όλες οι άλλες ιδιότητες αυτών των ογκωδών αστεριών που πεθαίνουν, όπως η λεπτομερής σύνθεση, η πυκνότητα και τα προφίλ θερμοκρασίας τους, εξαφανίζονται όταν μεταμορφώνονται σε μαύρη τρύπα. Είναι τόσο απλά.
Η ιδέα ότι οι μαύρες τρύπες έχουν μόνο τρεις ιδιότητες ονομάζεται θεώρημα «χωρίς τρίχα» και υπονοεί ότι δεν έχουν «τριχωτές» λεπτομέρειες που τις καθιστούν περίπλοκες.
Τριχωτές μαύρες τρύπες;
Για δεκαετίες, ερευνητές στην κοινότητα της αστροφυσικής έχουν εκμεταλλευτεί κενά ή λύσεις στις υποθέσεις του θεωρήματος χωρίς τρίχες για να αναπτύξουν πιθανά «τριχωτά» σενάρια για τις μαύρες τρύπες. Μια τριχωτή μαύρη τρύπα έχει μια φυσική ιδιότητα την οποία οι επιστήμονες μπορούν, κατ’ αρχήν, να μετρήσουν που υπερβαίνει τη μάζα, το φορτίο ή το σπιν της. Αυτή η ιδιότητα πρέπει να αποτελεί μόνιμο μέρος της δομής της.
Πριν από περίπου μια δεκαετία, ο Στέφανος Αρετάκης, ένας φυσικός που εργάζεται αυτή τη στιγμή στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο, έδειξε μαθηματικά ότι μια μαύρη τρύπα με το μέγιστο φορτίο που μπορεί να κρατήσει – μια λεγόμενη εξαιρετικά φορτισμένη μαύρη τρύπα – αναπτύσσει «τρίχες» στον ορίζοντά της. Ο ορίζοντας μιας μαύρης τρύπας είναι το όριο όπου οτιδήποτε περνά μέσα από αυτήν, ούτε καν το φως, μπορεί να διαφύγει.
Η ανάλυση του Αρετάκη ήταν περισσότερο ένα πείραμα σκέψης με ένα εξαιρετικά απλοποιημένο φυσικό σενάριο, επομένως οι επιστήμονες δεν περιμένουν να το παρατηρήσουν αστροφυσικά. Αλλά οι φορτισμένες μαύρες τρύπες μπορεί να μην είναι ο μόνος τύπος που θα μπορούσε να έχει τρίχες.
Δεδομένου ότι τα αστροφυσικά αντικείμενα όπως τα αστέρια και οι πλανήτες είναι γνωστό ότι περιστρέφονται, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι οι μαύρες τρύπες περιστρέφονται επίσης λόγω του σχηματισμού τους. Αστρονομικά στοιχεία έχουν δείξει ότι οι μαύρες τρύπες έχουν πράγματι περιστροφή, αν και οι ερευνητές δεν γνωρίζουν ποια είναι η τυπική τιμή σπιν για μια αστροφυσική μαύρη τρύπα.
Χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις υπολογιστή, η ομάδα μου ανακάλυψε πρόσφατα παρόμοιους τύπους μαλλιών σε μαύρες τρύπες που περιστρέφονται με τη μέγιστη ταχύτητα. Αυτή η τρίχα έχει να κάνει με τον ρυθμό μεταβολής ή την κλίση της καμπυλότητας του χωροχρόνου στον ορίζοντα. Βρήκαμε επίσης ότι μια μαύρη τρύπα δεν χρειάζεται απαραίτητα να περιστρέφεται στο μέγιστο για να έχει τρίχες, κάτι που είναι σημαντικό επειδή αυτές οι μαύρες τρύπες που περιστρέφονται στο μέγιστο είναι απίθανο να σχηματιστούν στη φύση.
Εντοπίστε και μετρήστε τα μαλλιά
Η ομάδα μου ήθελε να αναπτύξει έναν τρόπο μέτρησης αυτής της τρίχας – μια νέα στερεά ιδιότητα που θα μπορούσε να χαρακτηρίσει μια μαύρη τρύπα πέρα από τη μάζα, το γύρισμα και το φορτίο της. Αρχίσαμε να διερευνούμε πώς μια τέτοια νέα ιδιότητα θα μπορούσε να αφήσει μια υπογραφή σε ένα βαρυτικό κύμα που εκπέμπεται από μια ταχέως περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα.
Ένα βαρυτικό κύμα είναι μια μικροσκοπική διαταραχή του χωροχρόνου που συνήθως προκαλείται από βίαια αστροφυσικά γεγονότα στο σύμπαν. Οι συγκρούσεις συμπαγών αστροφυσικών αντικειμένων όπως οι μαύρες τρύπες και τα αστέρια νετρονίων εκπέμπουν ισχυρά βαρυτικά κύματα. Ένα διεθνές δίκτυο βαρυτικών παρατηρητηρίων, συμπεριλαμβανομένου του Παρατηρητηρίου βαρυτικών κυμάτων συμβολόμετρου λέιζερ στις Ηνωμένες Πολιτείες, ανιχνεύει τακτικά αυτά τα κύματα.
Οι πρόσφατες μελέτες μας δείχνουν ότι αυτές οι τριχωτές ιδιότητες μπορούν να μετρηθούν χρησιμοποιώντας δεδομένα βαρυτικών κυμάτων για ταχέως περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες. Η εξέταση των δεδομένων βαρυτικών κυμάτων προσφέρει τη δυνατότητα απόκτησης κάποιου είδους υπογραφής που θα μπορούσε να υποδεικνύει εάν η μαύρη τρύπα έχει αυτόν τον τύπο τρίχας.
Οι συνεχιζόμενες μελέτες μας και οι πρόσφατες εξελίξεις από τον Som Bishoyi, έναν μαθητή της ομάδας, βασίζονται σε ένα μείγμα θεωρητικών και υπολογιστικών μοντέλων ταχέως περιστρεφόμενων μαύρων τρυπών. Τα αποτελέσματά μας δεν έχουν ακόμη δοκιμαστεί στο πεδίο ούτε έχουν παρατηρηθεί σε πραγματικές μαύρες τρύπες στο διάστημα. Αλλά ελπίζουμε ότι αυτό θα αλλάξει σύντομα.
Η LISA λαμβάνει το πράσινο φως
Τον Ιανουάριο του 2024, ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος υιοθέτησε επίσημα τη διαστημική αποστολή Laser Interferometer Space Antenna (LISA). Η LISA θα αναζητήσει βαρυτικά κύματα και τα δεδομένα της αποστολής θα μπορούσαν να βοηθήσουν την ομάδα μου στις δύσκολες ερωτήσεις μας σχετικά με τη μαύρη τρύπα.
Η επίσημη αποδοχή σημαίνει ότι το έργο έχει το πράσινο φως για να περάσει στη φάση κατασκευής και έχει προγραμματιστεί να ξεκινήσει το 2035. Το LISA αποτελείται από τρία διαστημόπλοια διατεταγμένα σε ένα τέλειο ισόπλευρο τρίγωνο που περιστρέφεται γύρω από τον Ήλιο πίσω από τη Γη. Το κάθε διαστημόπλοιο θα απέχει 1,6 εκατομμύρια μίλια (2,5 εκατομμύρια χιλιόμετρα) μεταξύ τους και θα ανταλλάσσουν ακτίνες λέιζερ για να μετρήσουν την απόσταση μεταξύ τους με ακρίβεια περίπου ενός δισεκατομμυριοστού της ίντσας.
Η LISA θα ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που είναι εκατομμύρια ή και δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερης μάζας από τον Ήλιο μας. Θα δημιουργήσει έναν χάρτη του χωροχρόνου γύρω από τις περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες που θα βοηθήσει τους φυσικούς να κατανοήσουν με πρωτοφανή ακρίβεια πώς δρα η βαρύτητα στο άμεσο περιβάλλον των μαύρων τρυπών. Οι φυσικοί ελπίζουν ότι ο LISA μπορεί επίσης να μετρήσει τις δύσκολες ιδιότητες των μαύρων τρυπών.
Με το LIGO να κάνει νέες παρατηρήσεις κάθε μέρα και το LISA να παρέχει πληροφορίες για τον χωροχρόνο που περιβάλλει τις μαύρες τρύπες, τώρα είναι μια από τις πιο συναρπαστικές στιγμές για να είσαι φυσικός της μαύρης τρύπας.
Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε από το The Conversation, έναν μη κερδοσκοπικό, ανεξάρτητο ειδησεογραφικό οργανισμό που σας φέρνει γεγονότα και αξιόπιστες αναλύσεις για να σας βοηθήσει να κατανοήσετε τον περίπλοκο κόσμο μας. Γράφτηκε από τον: Gaurav Khanna, Πανεπιστήμιο του Ρόουντ Άιλαντ
Διαβάστε περισσότερα:
Το άρθρο παρουσιάζει έργα που δημιουργήθηκαν σε συνεργασία με τους Στέφανο Αρετάκη, Kevin Gonzalez-Quesada, Lior Burko, Subir Sabharwal και Som Bishoyi. Αυτή η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ. Όλοι οι υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν στο Κέντρο Υπολογιστικών Υπολογιστών Υψηλής Απόδοσης της Μασαχουσέτης, χρησιμοποιώντας τους πόρους του Κέντρου Υπολογιστικής Έρευνας URI. Ο συγγραφέας ευχαριστεί επίσης την Κοινοπραξία Έρευνας Gravity UMass-URI (U2GRC) για την υποστήριξή της.