Περί Ατόμων και Συμπάντων (#9):
«Τα θαύματα του Σύμπαντος: Μαύρες Τρύπες»
(επιμέλεια: Βαγγέλης Αυξωνίδης)
«Τα θαύματα του Σύμπαντος: Μαύρες Τρύπες»
(επιμέλεια: Βαγγέλης Αυξωνίδης)
Σαν όλους τους οργανισμούς, έτσι και το κάθε αστέρι θέλει κατά πρώτο λόγο να επιζήσει. Η μεγάλη ειρωνεία για τ' αστέρια, φυσικά, είναι ότι ο εχθρός τους είναι οι δυνάμεις βαρύτητας, αυτές οι ίδιες που τα δημιουργούν. Όλη η ζωή, λοιπόν, των αστεριών είναι μία συνεχής προσπάθεια να εξουδετερώσουν την βαρύτητα.
Η άμυνα του αστεριού κατά της βαρύτητας ξεκινάει από τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις. Βέβαια, αυτός ο τρόπος αντίστασης είναι ο πιο "ακριβός" και συνεπώς ο πιο γρήγορος. Στην συνέχεια η πίεση των ηλεκτρονίων βρίσκεται στην δεύτερη γραμμή άμυνας, καθώς είναι επαρκής εφόσον έχει να αντιμετωπίσει δυνάμεις βαρύτητας προερχόμενες από μικρές μάζες. Η τρίτη γραμμή άμυνας οφείλεται στην πίεση των νετρονίων, η οποία είναι επαρκής για μεγάλες μάζες αστεριών ( στο στάδιο αυτό το αστέρι μετατρέπεται σε ερυθρός γίγαντας). Ως τελευταίος τρόπος αντίστασης μπορούν να θεωρηθούν οι εκρήξεις Σούπερνοβα, στις οποίες το αστέρι επιτέλους ηρεμεί εκτοξεύοντας ύλη στο διάστημα, ώστε να μείνουν με λιγότερη μάζα και να πεθάνουν ήσυχοι σαν λευκοί νάνοι ή αστέρες νετρονίων.
Κι αν η αρχική μάζα του αστέρα ήταν αρκετά μεγάλη έτσι ώστε μετά την έκρηξη Σουπερνόβα να απομείνει με μεγάλη μάζα; Εδώ έρχονται και παίρνουν θέση οι μελανές οπές (ή όπως είναι γνωστές, μαύρες τρύπες). Μία μελανή οπή , λοιπόν, είναι ένα αντικείμενο από το εσωτερικό του οποίου δεν μπορεί να δραπετεύσει ούτε το φως. Η επιφάνεια μίας μελανής οπής αναφέρεται ως ο ορίζοντάς της, γιατί όποιος βρίσκεται έξω από τον ορίζοντα δεν μπορεί να δει τι συμβαίνει στο εσωτερικό. Και αυτό γίνεται, γιατί βλέπουμε με την μεσολάβηση του φωτός, που όμως δεν μπορεί να διαφύγει από μία μελανή οπή. Επιπλέον, πιστεύεται ότι οι μαύρες τρύπες βρίσκονται στα κέντρα των περισσότερων γαλαξιών.
Το πιο παράξενο από όλα όσα χαρακτηρίζουν τις μαύρες τρύπες είναι ότι δεν πρόκειται παρά μόνο για κενό χώρο, έκτος από μία "ιδιομορφία"(singularity) στο κέντρο τους. Βέβαια, σε πολλούς ακούγεται σαν μία ανοησία, δηλαδή πως είναι δυνατό το αντικείμενο με την μεγαλύτερη μάζα στο γαλαξία (εφόσον "ρουφάει" τα πάντα και είναι τεράστια πυκνό) να είναι κενός χώρος; Η απάντηση είναι ότι όλη η μάζα στο εσωτερικό της μελανής οπής συγκεντρώνεται στην ιδιομορφία. Στην πραγματικότητα, δεν καταλαβαίνουμε τι συμβαίνει ακριβώς στην ιδιομορφία. Αυτό, όμως που όντως καταλαβαίνουμε είναι ότι η ιδιομορφία παραμορφώνει τον χωροχρόνο με τέτοιο τρόπο, ώστε να σχηματίζεται ένας ορίζοντας που την περιβάλλει. Ό,τι εισέλθει στον ορίζοντα θα ελκυστεί αναπόφευκτα στην ιδιομορφία. Αυτός ο ορίζοντας ονομάζεται και Ακτίνα Schwarzschild. Δίνεται από τον τύπο:
Η άμυνα του αστεριού κατά της βαρύτητας ξεκινάει από τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις. Βέβαια, αυτός ο τρόπος αντίστασης είναι ο πιο "ακριβός" και συνεπώς ο πιο γρήγορος. Στην συνέχεια η πίεση των ηλεκτρονίων βρίσκεται στην δεύτερη γραμμή άμυνας, καθώς είναι επαρκής εφόσον έχει να αντιμετωπίσει δυνάμεις βαρύτητας προερχόμενες από μικρές μάζες. Η τρίτη γραμμή άμυνας οφείλεται στην πίεση των νετρονίων, η οποία είναι επαρκής για μεγάλες μάζες αστεριών ( στο στάδιο αυτό το αστέρι μετατρέπεται σε ερυθρός γίγαντας). Ως τελευταίος τρόπος αντίστασης μπορούν να θεωρηθούν οι εκρήξεις Σούπερνοβα, στις οποίες το αστέρι επιτέλους ηρεμεί εκτοξεύοντας ύλη στο διάστημα, ώστε να μείνουν με λιγότερη μάζα και να πεθάνουν ήσυχοι σαν λευκοί νάνοι ή αστέρες νετρονίων.
Κι αν η αρχική μάζα του αστέρα ήταν αρκετά μεγάλη έτσι ώστε μετά την έκρηξη Σουπερνόβα να απομείνει με μεγάλη μάζα; Εδώ έρχονται και παίρνουν θέση οι μελανές οπές (ή όπως είναι γνωστές, μαύρες τρύπες). Μία μελανή οπή , λοιπόν, είναι ένα αντικείμενο από το εσωτερικό του οποίου δεν μπορεί να δραπετεύσει ούτε το φως. Η επιφάνεια μίας μελανής οπής αναφέρεται ως ο ορίζοντάς της, γιατί όποιος βρίσκεται έξω από τον ορίζοντα δεν μπορεί να δει τι συμβαίνει στο εσωτερικό. Και αυτό γίνεται, γιατί βλέπουμε με την μεσολάβηση του φωτός, που όμως δεν μπορεί να διαφύγει από μία μελανή οπή. Επιπλέον, πιστεύεται ότι οι μαύρες τρύπες βρίσκονται στα κέντρα των περισσότερων γαλαξιών.
Το πιο παράξενο από όλα όσα χαρακτηρίζουν τις μαύρες τρύπες είναι ότι δεν πρόκειται παρά μόνο για κενό χώρο, έκτος από μία "ιδιομορφία"(singularity) στο κέντρο τους. Βέβαια, σε πολλούς ακούγεται σαν μία ανοησία, δηλαδή πως είναι δυνατό το αντικείμενο με την μεγαλύτερη μάζα στο γαλαξία (εφόσον "ρουφάει" τα πάντα και είναι τεράστια πυκνό) να είναι κενός χώρος; Η απάντηση είναι ότι όλη η μάζα στο εσωτερικό της μελανής οπής συγκεντρώνεται στην ιδιομορφία. Στην πραγματικότητα, δεν καταλαβαίνουμε τι συμβαίνει ακριβώς στην ιδιομορφία. Αυτό, όμως που όντως καταλαβαίνουμε είναι ότι η ιδιομορφία παραμορφώνει τον χωροχρόνο με τέτοιο τρόπο, ώστε να σχηματίζεται ένας ορίζοντας που την περιβάλλει. Ό,τι εισέλθει στον ορίζοντα θα ελκυστεί αναπόφευκτα στην ιδιομορφία. Αυτός ο ορίζοντας ονομάζεται και Ακτίνα Schwarzschild. Δίνεται από τον τύπο:
Όπου rs η ακτίνα Schwarzschild, G η σταθερά της παγκόσμιας έλξης, m η μάζα του αντικειμένου και c η ταχύτητα του φωτός στο κενό. Η ταχύτητα διαφυγής από ένα τέτοιο ουράνιο σώμα δίνεται από τον τύπο:
Όπου G η σταθερά της παγκόσμιας έλξης, Μ η μάζα του αντικειμένου και R η ακτίνα. Στην δική μας περίπτωση το R θα είναι ίσο με rs.
Το βασικότερο στοιχείο που πρέπει να αποκομίσετε από την παρουσίαση αυτή είναι ότι η βαρυτική έλξη εντός μιας μελανής οπής είναι απόλυτα ακαταμάχητη. Από την στιγμή που διαπερνά τον ορίζοντα, ο υποτιθέμενος αστροναύτης δεν θα μπορούσε να σταματήσει την πτώση. Βέβαια, δεν είναι ότι δεν θα πάθαινε τίποτε. Επειδή η βαρυτική έλξη στα πόδια θα ήταν συγκριτικά μεγαλύτερη με αυτήν στο κεφάλι του αστροναύτη, θα εμφανιζόταν το φαινόμενο λεγόμενο και ως Spaghettification, δηλαδή θα τεντωνόταν ο αστροναύτης πάρα πολύ με αποτέλεσμα να βρει θάνατο. Αλλά ας αγνοήσουμε το φαινόμενο αυτό. Μέχρι τότε, λοιπόν, απλώς θα έπεφτε στον κενό χώρο. Θα ένιωθε εντελώς αβαρής, κάτι που αναδεικνύει μια θεμελιώδη υπόθεση της γενικής σχετικότητας, ότι ο παρατηρητής σε ελεύθερη πτώση (στην συγκεκριμένη περίπτωση ο αστροναύτης), αισθάνεται σαν να αιωρείται αβαρής στον κενό χώρο.
Εδώ θα ήθελα να κάνω μία αναφορά στις λευκές τρύπες (white holes) και στην ακτινοβολία Hawking. Οι εξισώσεις της γενικής σχετικότητας έχουν μια ενδιαφέρουσα μαθηματική ιδιότητα: είναι συμμετρικές στον χρόνο. Αυτό σημαίνει ότι μπορείτε να πάρετε οποιαδήποτε λύση των εξισώσεων και να φανταστείτε ότι ο χρόνος ρέει προς τα πίσω κι όχι προς τα εμπρός, και θα φτάσετε σε μια άλλη έγκυρη λύση στις εξισώσεις. Εάν εφαρμόσετε αυτόν τον κανόνα στις λύσεις των εξισώσεων της γενικής σχετικότητας, που περιγράφουν τις μαύρες τρύπες, παίρνετε ένα αντικείμενο γνωστό ως λευκή τρύπα. Επειδή μια μαύρη τρύπα είναι μια περιοχή του διαστήματος από την οποία τίποτα δεν μπορεί να δραπετεύσει, η αντίστροφη στον χρόνο έκδοση μιας μαύρης τρύπας είναι μια περιοχή του διαστήματος στην οποία τίποτα δεν μπορεί να περιέλθει μέσα. Στην πραγματικότητα, όπως ακριβώς μια μαύρη τρύπα μπορεί να απορροφήσει μόνο πράγματα προς αυτήν, μια λευκή τρύπα μπορεί να βγάλει μόνο αντικείμενα προς τα έξω.
Το βασικότερο στοιχείο που πρέπει να αποκομίσετε από την παρουσίαση αυτή είναι ότι η βαρυτική έλξη εντός μιας μελανής οπής είναι απόλυτα ακαταμάχητη. Από την στιγμή που διαπερνά τον ορίζοντα, ο υποτιθέμενος αστροναύτης δεν θα μπορούσε να σταματήσει την πτώση. Βέβαια, δεν είναι ότι δεν θα πάθαινε τίποτε. Επειδή η βαρυτική έλξη στα πόδια θα ήταν συγκριτικά μεγαλύτερη με αυτήν στο κεφάλι του αστροναύτη, θα εμφανιζόταν το φαινόμενο λεγόμενο και ως Spaghettification, δηλαδή θα τεντωνόταν ο αστροναύτης πάρα πολύ με αποτέλεσμα να βρει θάνατο. Αλλά ας αγνοήσουμε το φαινόμενο αυτό. Μέχρι τότε, λοιπόν, απλώς θα έπεφτε στον κενό χώρο. Θα ένιωθε εντελώς αβαρής, κάτι που αναδεικνύει μια θεμελιώδη υπόθεση της γενικής σχετικότητας, ότι ο παρατηρητής σε ελεύθερη πτώση (στην συγκεκριμένη περίπτωση ο αστροναύτης), αισθάνεται σαν να αιωρείται αβαρής στον κενό χώρο.
Εδώ θα ήθελα να κάνω μία αναφορά στις λευκές τρύπες (white holes) και στην ακτινοβολία Hawking. Οι εξισώσεις της γενικής σχετικότητας έχουν μια ενδιαφέρουσα μαθηματική ιδιότητα: είναι συμμετρικές στον χρόνο. Αυτό σημαίνει ότι μπορείτε να πάρετε οποιαδήποτε λύση των εξισώσεων και να φανταστείτε ότι ο χρόνος ρέει προς τα πίσω κι όχι προς τα εμπρός, και θα φτάσετε σε μια άλλη έγκυρη λύση στις εξισώσεις. Εάν εφαρμόσετε αυτόν τον κανόνα στις λύσεις των εξισώσεων της γενικής σχετικότητας, που περιγράφουν τις μαύρες τρύπες, παίρνετε ένα αντικείμενο γνωστό ως λευκή τρύπα. Επειδή μια μαύρη τρύπα είναι μια περιοχή του διαστήματος από την οποία τίποτα δεν μπορεί να δραπετεύσει, η αντίστροφη στον χρόνο έκδοση μιας μαύρης τρύπας είναι μια περιοχή του διαστήματος στην οποία τίποτα δεν μπορεί να περιέλθει μέσα. Στην πραγματικότητα, όπως ακριβώς μια μαύρη τρύπα μπορεί να απορροφήσει μόνο πράγματα προς αυτήν, μια λευκή τρύπα μπορεί να βγάλει μόνο αντικείμενα προς τα έξω.
Σχηματική απεικόνιση Μαύρης-Λευκής τρύπας.
Έτσι, το 1974 ο διάσημος Βρετανός φυσικός Stephen Hawking είχε κάνει μια ανατρεπτική πρόβλεψη για τις μαύρες τρύπες, εικάζοντας πως τα σώματα αυτά εκπέμπουν μία μορφή ακτινοβολίας, παρά τις προβλέψεις της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας πως είναι τόσο πυκνές που ούτε το φως δεν μπορεί να ξεφύγει από αυτές. Η φύση της ακτινοβολίας Hawking, όπως κατόπιν ονομάστηκε, πηγάζει από τις αρχές της κβαντικής φυσικής και με την πάροδο του χρόνου έγινε μία αποδεκτή ιδέα από την υπόλοιπη επιστημονική κοινότητα. Αλλά παρόλο που οι αστρονόμοι έχουν ανακαλύψει πολλές μαύρες τρύπες από τότε, κανείς δεν έχει εντοπίσει πειραματικά την ακτινοβολία Hawking.
Οι μαύρες τρύπες, λοιπόν, δεν είναι τα άκρως επικίνδυνα ουράνια σώματα που "κατατρώγουν" ό,τι υπάρχει γύρω τους. Είναι επικίνδυνες μόνο για τους πολύ περίεργους που τις πλησιάζουν σε αποστάσεις μερικών ακτίνων Schwarzschild και θανατηφόρες γι αυτούς που περνούν και την ακτίνα Schwarzschild. Από προσωπική άποψη, οι μαύρες τρύπες αποτελούν ένα θαύμα της φύσης καθώς είναι ικανές να έχουν σε τροχιά ολόκληρους γαλαξίες, αλλά και να λειτουργούν ως χρονομηχανές, εφόσον παραμορφώνουν τον χωροχρόνο.
Οι μαύρες τρύπες, λοιπόν, δεν είναι τα άκρως επικίνδυνα ουράνια σώματα που "κατατρώγουν" ό,τι υπάρχει γύρω τους. Είναι επικίνδυνες μόνο για τους πολύ περίεργους που τις πλησιάζουν σε αποστάσεις μερικών ακτίνων Schwarzschild και θανατηφόρες γι αυτούς που περνούν και την ακτίνα Schwarzschild. Από προσωπική άποψη, οι μαύρες τρύπες αποτελούν ένα θαύμα της φύσης καθώς είναι ικανές να έχουν σε τροχιά ολόκληρους γαλαξίες, αλλά και να λειτουργούν ως χρονομηχανές, εφόσον παραμορφώνουν τον χωροχρόνο.