Οι αστέρες νετρονίων, τα πάλσαρ και οι μαύρες τρύπες αποτελούν τα τελικά στάδια της εξέλιξης των άστρων με μάζα πολλαπλάσια από αυτήν του Ήλιου. Όταν τα άστρα αυτά εξαντλήσουν τα πυρηνικά τους «καύσιμα» και ο πυρήνας τους μετατραπεί εξ’ ολοκλήρου σε σίδηρο, οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης σβήνουν για πάντα, διότι δεν είναι ενεργειακά εφικτό να συντηχθεί ο σίδηρος σε βαρύτερους πυρήνες. Καθώς, λοιπόν, η βαρύτητα υπερισχύει της εσωτερικής πίεσης του άστρου, ο αστρικός πυρήνας καταρρέει βίαια προς το κέντρο του, αυξάνοντας την θερμοκρασία και την πίεση στο εσωτερικό του σε αδιανόητα επίπεδα και μετατρέποντας την ύλη στο εσωτερικό του σε μία συμπαγή μάζα από νετρόνια. Κλάσματα του δευτερολέπτου αργότερα, οι εξωτερικές στοιβάδες του άστρου που καταρρέουν και αυτές, προσκρούουν στον συμπαγή αστρικό πυρήνα και στην συνέχεια εκτινάσσονται βίαια προς τα έξω σε μία έκρηξη σουπερνόβα.

Εάν ο αστρικός πυρήνας που καταρρέει έχει μάζα μικρότερη από τις περίπου 3 ηλιακές μάζες, τότε η περαιτέρω συμπίεσή του σταματά και το αστρικό «λείψανο» που επιβιώνει της αστρικής έκρηξης είναι αυτός ακριβώς ο αστρικός πυρήνας, δηλαδή ένας αστέρας νετρονίων, στο κέντρο ενός ταχύτατα διαστελλόμενου αέριου περιβλήματος. Τα υπέρπυκνα αυτά αστρικά αντικείμενα έχουν μάζα περίπου 1,5-3 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ήλιου, συμπιεσμένη όμως σε μία σφαίρα με διάμετρο που δεν υπερβαίνει τα 10-20 km. Εάν, αντιθέτως, η μάζα του αστρικού πυρήνα υπερβαίνει αυτό το όριο, η ύλη που τον απαρτίζει καταρρέει οριστικά και αμετάκλητα σε ένα σημείο μηδενικού όγκου και άπειρης πυκνότητας, δηλαδή σε μία μαύρη τρύπα. Αυτό το κρίσιμο όριο των περίπου 3 ηλιακών μαζών υπολογίστηκε για πρώτη φορά το 1939, ωστόσο η ακριβής τιμή της μέγιστης επιτρεπτής μάζας ενός αστέρα νετρονίων εξακολουθεί να αποτελεί πεδίο αντιπαράθεσης. Πραγματικά, παρόλο που οι αστρονόμοι μελετούν αυτά τα συναρπαστικά αντικείμενα εδώ και αρκετές δεκαετίες, οι γνώσεις μας γι’ αυτά παραμένουν ελλιπείς, καθώς εξακολουθούμε να αγνοούμε το πώς ακριβώς συμπεριφέρεται η ύλη σε αυτές τις ακραίες συνθήκες που επικρατούν στο εσωτερικό τους.

Οι αστέρες νετρονίων περιστρέφονται με μεγάλες ταχύτητες γύρω από τον άξονά τους. Καθώς, όμως, τα νετρόνια στην επιφάνεια ενός αστέρα νετρονίων διασπώνται σε ηλεκτρόνια και πρωτόνια, τα φορτισμένα αυτά σωματίδια παγιδεύονται από το ισχυρότατο μαγνητικό του πεδίο και επιταχύνονται με την περιστροφή του σε τεράστιες ταχύτητες, εκλύοντας ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, η οποία εστιάζεται σε δύο στενές δέσμες: μία προς την κατεύθυνση που δείχνει ο βόρειος μαγνητικός πόλος του αστέρα νετρονίων και μία προς την κατεύθυνση που δείχνει ο νότιος μαγνητικός του πόλος. Στην περίπτωση που οι μαγνητικοί πόλοι του αστέρα νετρονίων δεν ευθυγραμμίζονται με τον άξονα περιστροφής του, οι δύο δέσμες ακτινοβολίας περιστρέφονται και αυτές, σαρώνοντας το Διάστημα, όπως και το περιστρεφόμενο «μάτι» ενός φάρου. Εάν, λοιπόν, ένας αστέρας νετρονίων είναι έτσι προσανατολισμένος σε σχέση με την Γη, ώστε η ακτινοβολία του να σαρώνει στο πέρασμά της τον πλανήτη μας, την αντιλαμβανόμαστε ως μία παλλόμενη πηγή ακτινοβολίας που αναβοσβήνει περιοδικά, δηλαδή ως ένα πάλσαρ.

Το ταχύτερα περιστρεφόμενο πάλσαρ που έχει ανακαλυφθεί μέχρι σήμερα στροβιλίζεται γύρω από τον εαυτό του με ταχύτητα που στον ισημερινό του υπερβαίνει τα 70.000 km/s, συμπληρώνοντας 716 περιστροφές το δευτερόλεπτο. Καθώς, όμως, συνεχίζουν να περιστρέφονται, τα πάλσαρ χάνουν ενέργεια και επιβραδύνονται, εκλύοντας όλο και λιγότερη ακτινοβολία. Σε μερικά εκατ. χρόνια, περιστρέφονται πλέον τόσο αργά και η εκπομπή ακτινοβολίας είναι τόσο περιορισμένη, που δεν θεωρούνται πια πάλσαρ.

Εάν, ωστόσο, η μάζα του αστρικού πυρήνα που «επιβιώνει» από μία έκρηξη σουπερνόβα υπερβαίνει τις 3 ηλιακές μάζες, τίποτα πλέον δεν μπορεί να αντισταθεί στην περαιτέρω βαρυτική του κατάρρευση σε μία μαύρη τρύπα. Σ’ αυτή την περίπτωση, η ύλη από την οποία αποτελούνταν ο αστρικός πυρήνας «εξαφανίζεται» σε ένα σημείο με μηδενικό όγκο και άπειρη πυκνότητα, σε μία ιδιομορφία, όπως ονομάζεται, στην ίδια την υφή του χωροχρόνου, όπου οι γνωστοί νόμοι της φυσικής απλά καταρρέουν. Η ιδιομορφία αυτή «κρύβεται» από το υπόλοιπο Σύμπαν πίσω από τον ορίζοντα γεγονότων της και το μόνο που παραμένει, υποδηλώνοντας ότι εδώ υπάρχει «κάτι» είναι το βαρυτικό της πεδίο. Κάθε υλικό σώμα και κάθε μορφή ακτινοβολίας που έχει την «ατυχία» να διαβεί αυτό το όριο της «μη επιστροφής», που ορίζει ο ορίζοντας γεγονότων, θα χαθεί στο εσωτερικό της για πάντα. Γιατί πέρα απ’ αυτό, η βαρυτική έλξη της μαύρης τρύπας γίνεται τόσο ισχυρή, ώστε τίποτα δεν μπορεί να διαφύγει, ούτε και αυτό ακόμη το φως. Από την ίδια τους την φύση, δηλαδή, οι μαύρες τρύπες είναι αόρατες, γι’ αυτό και μέχρι πρόσφατα διαθέταμε μόνο έμμεσους τρόπους για την ανίχνευσή τους. Οι αστρικές μαύρες τρύπες, επομένως, αποτελούν το τελικό στάδιο της εξέλιξης των άστρων με μάζα τουλάχιστον 20 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ήλιου, ενώ προέκυψαν αρχικά ως μαθηματικές «παραδοξότητες», μέσα από την επίλυση των εξισώσεων της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (ΓΘΣ), της νέας θεωρίας για την βαρύτητα, που μας κληροδότησε ο Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1915.

Η πρώτη μαθηματική λύση των εξισώσεων της ΓΘΣ που αντιστοιχεί στις μαύρες τρύπες ανακαλύφθηκε από τον Γερμανό αστρονόμο Karl Schwarzschild ελάχιστες εβδομάδες μετά τη δημοσίευση της ΓΘΣ, ενώ πνευματικός πατέρας αυτών των παράξενων αντικειμένων έγινε μισόν αιώνα αργότερα ο θεωρητικός φυσικός John Wheeler. Εκείνη την εποχή, ωστόσο, η μαθηματική λύση του Schwarzschild δεν είχε «υλική υπόσταση». Θα χρειαστεί να περάσουν αρκετά ακόμη χρόνια προτού οι επιστήμονες αρχίσουν να σκέφτονται σοβαρά την πιθανότητα ότι τα παράξενα αυτά «μαθηματικά» αντικείμενα όντως υπάρχουν στο Σύμπαν. Στα χρόνια, όμως, που ακολούθησαν, η διεύρυνση των γνώσεών μας για την γένεση και την εξέλιξη των άστρων οδήγησε σταδιακά στο συμπέρασμα ότι αυτές οι παράξενες μαθηματικές λύσεις των εξισώσεων της ΓΘΣ αποκτούν υλική υπόσταση μέσα από τον θάνατο των γιγάντιων άστρων.

Εφόσον όμως, ούτε καν το ίδιο το φως δεν μπορεί να διαφύγει από τη βαρυτική έλξη μίας μαύρης τρύπας, πού στηρίζουμε την πεποίθησή μας ότι όντως υπάρχουν; Μέχρι πρόσφατα, ο μοναδικός τρόπος ανίχνευσης μίας μαύρης τρύπας βασιζόταν στην επιρροή που ασκεί το ισχυρότατο βαρυτικό της πεδίο στην ύλη που την περιβάλλει. ή στα ουράνια σώματα με τα οποία γειτονεύει. Εάν, για παράδειγμα, μία αστρική μαύρη τρύπα αποτελεί μέρος ενός διπλού αστρικού συστήματος, η ύπαρξή της μπορεί να φανερωθεί εμμέσως, καταρχάς από την «ανεξήγητα» μεγάλη ταχύτητα με την οποία περιφέρεται το άστρο-συνοδός της γύρω από ένα «σκοτεινό σημείο». Αυτά τα αστρικά συστήματα, δηλαδή, αποτελούνται από ένα «ορατό» άστρο, το οποίο περιφέρεται γύρω από τον «αόρατο» συνοδό του, που μπορεί να είναι είτε ένας αστέρας νετρονίων είτε μία μαύρη τρύπα.

Χαρακτηριστικό παράδειγμα ενός τέτοιου συστήματος είναι το Cygnus X-1, το οποίο αποτελείται από ένα «αόρατο άστρο» και έναν γαλάζιο υπεργίγαντα. Σύμφωνα με την έρευνα που ακολούθησε, η μάζα του «αόρατου άστρου» είναι περίπου δεκαπενταπλάσια από αυτήν του Ήλιου, δηλαδή πολύ μεγάλη, ώστε αυτός ο οπτικά αόρατος «συνοδός» του γαλάζιου υπεργίγαντα να είναι αστέρας νετρονίων. Επιπλέον, καθώς το «αόρατο άστρο» έλκει αέρια από τις εξωτερικές στοιβάδες του ορατού άστρου, αυτά στροβιλίζονται γύρω του, σχηματίζοντας έναν δίσκο υπέρθερμων υλικών, που εκλύει ακτινοβολία Χ. Οι αναλαμπές αυτές των ακτίνων Χ αποτελούν μία ακόμη έμμεση απόδειξη για την ύπαρξη μίας μαύρης τρύπας και προκαλούνται καθώς φορτισμένο πλάσμα από την επιφάνεια του άστρου-συνοδού έλκονται από την γειτονική μαύρη τρύπα, σχηματίζοντας γύρω της έναν δίσκο υπέρθερμων υλικών. Τα υλικά αυτά στροβιλίζονται με όλο και μεγαλύτερη ταχύτητα, όλο και πλησιέστερα προς τον ορίζοντα γεγονότων της, θερμαίνονται σε εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου και, λίγο πριν χαθούν για πάντα πίσω από τον ορίζοντα γεγονότων της, ακτινοβολούν ακτίνες Χ. Για λόγους, μάλιστα, οι οποίοι δεν είναι ακόμη απολύτως κατανοητοί, σχηματίζονται και ενεργητικοί πίδακες φορτισμένων σωματιδίων, οι οποίοι εκτοξεύονται από τους πόλους της μαύρης τρύπας στο Διάστημα, με τεράστιες ταχύτητες.

Οι ίδιες περίπου μέθοδοι χρησιμοποιούνται και για την ανίχνευση των γαλαξιακών μαύρων τρυπών. Με την πρώτη, όμως, ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων από τους ανιχνευτές LIGO, που ανακοινώθηκε τον Φεβρουάριο του 2016, καθώς και με την πρώτη φωτογράφηση της σκιάς μίας γαλαξιακής μαύρης τρύπας που υλοποιήθηκε τρία χρόνια αργότερα, στους έμμεσους τρόπους ανίχνευσης μαύρων τρυπών, προστίθενται και δύο άμεσοι (περισσότερες πληροφορίες για τα δύο αυτά ιστορικά επιστημονικά επιτεύγματα μπορείτε να αντλήσετε από τα άρθρα που παρατίθενται στις «Πηγές»).

 

Φωτογραφία:

Οπτική εικόνα στην οποία διακρίνεται η θέση του συστήματος Cygnus X-1 (αριστερά) και η καλλιτεχνική αναπαράστασή του (Credit   Optical: DSS; NASA/CXC/M.Weiss)

 

Πηγές

Μαύρες Τρύπες Ι

Ο Αϊνστάιν επιβεβαιώνεσαι ξανά: τα βαρυτικά κύματα υπάρχουν!

Η πρώτη φωτογράφιση της «σκιάς» μίας μαύρης τρύπας είναι γεγονός!

Αστρικές εκρήξεις

π