Υπερβολικές μαύρες τρύπες: γαλαξιακοί μεγαθήρες

Υπάρχει μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα στο κέντρο του γαλαξία μας. Δεν μπορεί να δει άμεσα μέσω τηλεσκοπίων ή με τα μάτια μας, αλλά οι αστρονόμοι γνωρίζουν ότι είναι εκεί. Στην πραγματικότητα, υπάρχουν υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στις καρδιές πολλών γαλαξιών. Πώς γνωρίζουν οι αστρονόμοι ότι αυτά τα τέρατα κρύβονται στους γαλαξιακούς πυρήνες; Χρησιμοποιούν μια ποικιλία μεθόδων για να μελετήσουν το φως καθώς περνάει από μια μαύρη τρύπα και επίσης μελετούν την περιοχή γύρω από μια μαύρη τρύπα για να καταλάβουν πώς επηρεάζει τα κοντινά σύννεφα αερίου, σκόνης και ακόμη και αστέρια. Επί του παρόντος, η υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στον Γαλαξία, που ονομάζεται Τοξότης Α *, είναι αρκετά ήσυχη και οι αστρονόμοι την παρακολουθούν σε πολλά μήκη κύματος φωτός για να κατανοήσουν τις ενέργειές της.

Μαύρες τρύπες είναι ένα από τα αγαπημένα σε ιστορίες επιστημονικής φαντασίας και μέσα μαζικής ενημέρωσης. Μερικές φορές χρησιμοποιούνται ως συσκευή πλοήγησης για να επιτρέψουν κάποιο είδος διαστρικό ταξίδι τέχνασμα. Ή, εμφανίζονται στο ταξίδι στο χρόνο ή σε κάποιο άλλο σημαντικό στοιχείο μιας ιστορίας. Όσο συναρπαστικές είναι αυτές οι ιστορίες, η πραγματικότητα πίσω από αυτά τα περίεργα μεγαθήρια είναι πιο ενδιαφέρουσα από ότι οι συγγραφείς μπορούν να φανταστούν. Ποια είναι τα γεγονότα γύρω από τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες; Υπάρχει κάποια επιστήμη πίσω από τις απεικονίσεις επιστημονικής φαντασίας υπερμεγέθων μαύρων τρυπών; Ας ανακαλύψουμε.

Γενικά, υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες είναι ακριβώς αυτό που λέει το όνομά τους: πραγματικά μαζικές μαύρες τρύπες. Μετρούνται στις εκατοντάδες χιλιάδες ηλιακών μαζών (μια ηλιακή μάζα ισούται με τη μάζα του Ήλιου) έως και δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες. Έχουν τεράστια δύναμη και ασκούν απίστευτη επιρροή στους γαλαξίες τους.

Οι περισσότερες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες υπάρχουν στους πυρήνες του τους γαλαξίες. Αυτή η κεντρική θέση τους επιτρέπει να (τουλάχιστον εν μέρει) συμβάλλουν στη συγκράτηση των γαλαξιών. Η βαρύτητά τους είναι τόσο τεράστια, λόγω της απίστευτης μάζας τους, η οποία ακτινοβολεί ακόμη και εκατοντάδες χιλιάδες έτη φωτός μακριά, συνδέονται σε τροχιά γύρω τους και τους πυρήνες των γαλαξιών που κατοικούν.

Κάθε φορά που οι αστρονόμοι μιλάνε για μαύρες τρύπες, η κύρια ιδιότητα που χρησιμοποιούν ορίζει μαύρες τρύπες εκτός από άλλα "κανονικά" αντικείμενα μέσα το σύμπαν είναι η πυκνότητα. Αυτό είναι το ποσό των "υλικών" που συσκευάζονται στον όγκο μιας μαύρης τρύπας. Η πυκνότητα στους πυρήνες των μαύρων οπών είναι τόσο υψηλή που ουσιαστικά γίνεται άπειρη. Συγκεκριμένα, ο όγκος (το μέγεθος του χώρου που μια μαύρη τρύπα και η κρυφή μάζα του καταλαμβάνει) προσεγγίζει το μηδέν. Αυτό σημαίνει ότι είναι λίγο περισσότερο από ένα μικροσκοπικό σημείο στο διάστημα, αλλά αυτή η μικροσκοπική κουκίδα, που ονομάζεται μοναδικότητα, περιέχει μια απίστευτη ποσότητα μάζας. Αυτό το καθιστά απίστευτα πυκνό. Αυτή η πυκνότητα είναι απλωμένη σε ολόκληρη την περιοχή της μαύρης τρύπας, από την ιδιομορφία ως την ορίζοντας συμβάντος (που είναι το σημείο όπου η βαρύτητα της μαύρης τρύπας είναι πολύ ισχυρή για οτιδήποτε αντιστέκομαι.

Αυτό ακούγεται σαν το εσωτερικό της μαύρης τρύπας (πέρα από τον ορίζοντα συμβάντος) να είναι απίστευτα συνθλιμμένο, χωρίς χώρο. Είναι ενδιαφέρον ότι υπάρχει ένα πείραμα που λέει ότι η μέση πυκνότητα των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών μπορεί στην πραγματικότητα να είναι μικρότερη από τον αέρα που αναπνέουν οι άνθρωποι. Στην πραγματικότητα, όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα, το πιο λιγο πυκνή υπερμεγέθη μαύρη τρύπα είναι, αν κάποιος θεωρεί ολόκληρο τον όγκο της περιοχής από την ιδιαιτερότητα ως τον ορίζοντα συμβάντος. Η μάζα θα διανεμηθεί μέσω αυτής της περιοχής, με περισσότερη μάζα στην μοναδικότητα από ότι στις "παρυφές".

Εάν αυτό είναι αλήθεια, τότε θα ήταν δυνατό όχι μόνο να προσεγγίσουμε μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα, θα μπορούσαμε θεωρητικά πέφτουν σε μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα και επιβιώνουν για αρκετό καιρό μέχρι να πλησιάσουν στο μοναδικότητα. Ωστόσο, υπάρχει ένα μεγάλο πρόβλημα: βαρύτητα. Είναι τόσο ισχυρό ώστε οτιδήποτε περιστρέφεται πέρα ​​από τον ορίζοντα συμβάντος θα αποκοπεί από την ακραία βαρυτική έλξη. Τόσο για ταξίδια σκουληκότρυπα!

Ο σχηματισμός υπερμεγέθων μαύρων οπών εξακολουθεί να είναι ένα από τα μυστήρια της αστροφυσικής. Οι κανονικές μαύρες τρύπες είναι τα βασικά υπολείμματα που άφησαν πίσω από το σουπερνόβα έκρηξη ενός μαζικού αστέρα. Όσο πιο μαζικό είναι το αστέρι, τόσο πιο μαζική είναι η μαύρη τρύπα που άφησε πίσω.

Κάποιος θα μπορούσε, επομένως, να υποθέσει ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες δημιουργούνται από την κατάρρευση ενός υπερμεγέθους αστέρα. Το πρόβλημα είναι ότι λίγοι τέτοιοι αστέρες έχουν ανιχνευθεί. Επιπλέον, η φυσική μας λέει ότι δεν πρέπει να υπάρχει καν στην πρώτη θέση. Ωστόσο, το κάνουν. Τα πιο τεράστια αστέρια είναι δεκάδες έως εκατό φορές η μάζα του Ήλιου. Μερικές σπάνιες υπερανθρώπων μπορεί να φτάσουν μέχρι και 300 αστρικές μάζες. Ακόμα, ακόμη και αυτά τα τέρατα είναι μακριά από τους τύπους μαζών που θα χρειαστούν για να δημιουργήσουν μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα. Για να το πούμε καθαρά: απαιτείται περισσότερη μάζα για να γίνει μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα από αυτή που περιέχεται σε ακόμα και τα πιο υπερμεγέθεις αστέρια.

Έτσι, αν αυτά τα αντικείμενα δεν δημιουργούνται με τον παραδοσιακό τρόπο σε άλλες μαύρες τρύπες, από πού προέρχονται τα μαύρα τρύπα τέρας; Η βασική ιδέα είναι ότι σχημάτισαν πολύ μικρότερες μαύρες τρύπες για να χτίσουν μεγάλες. Τελικά, η συσσώρευση μάζας θα οδηγούσε στη δημιουργία μιας υπερμεγέθης μαύρης τρύπας. Αυτή είναι μια ιεραρχική θεωρία για την κατασκευή μιας υπερμεγέθης μαύρης τρύπας. Υπάρχουν κάποια προβλήματα με αυτή τη θεωρία επειδή απαιτεί τη μελέτη των "μαζών μαζών" υπερμεγέθους "ενδιάμεσης μάζας". Θα ήταν το "στο β μεταξύ βήμα" από τις μικρότερες μαύρες τρύπες στα υπερμεγέθεις τέρατα. Οι αστρονόμοι αρχίζουν να ανιχνεύουν περισσότερα από αυτά και να μελετούν τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους για να καλύψουν τα κενά στην ιεραρχική θεωρία.

Μια άλλη κορυφαία θεωρία για τη δημιουργία υπερμεγέθων μαύρων οπών είναι ότι σχηματίστηκαν στις πρώτες στιγμές που ακολούθησαν την Μεγάλη έκρηξη. Φυσικά, δεν είναι όλα εντελώς κατανοητά για τις συνθήκες εκείνη την εποχή, προκειμένου να καταλάβουμε πώς οι μαύρες τρύπες έπαιξαν ρόλο και τι ώθησε το σχηματισμό τους.

Οι παρατηρήσεις των γνωστών μαύρων οπών υπερμεγέθους και ενδιάμεσης μάζας υποδεικνύουν ότι η θεωρία της συγχώνευσης είναι πιθανόν η απλούστερη εξήγηση. Εξέταση των παλαιότερων, πιο μακρινών και μαζικών υπερμεγέθων μαύρων τρυπών, quasars συγκεκριμένα, δείχνει ότι υπάρχουν ενδείξεις ότι τη συγχώνευση πολλών γαλαξιών έπαιξε ρόλο. Όταν οι γαλαξίες συγχωνευθούν, εμφανίζονται και οι μαύρες τρύπες τους. Οι συγχωνεύσεις παίζουν ρόλο στη διαμόρφωση των γαλαξιών που βλέπουμε σήμερα και έτσι έχει νόημα ότι οι κεντρικές μαύρες τρύπες τους μπορούν να έρθουν μαζί για τη διαδρομή και να αναπτυχθούν μαζί με τους γαλαξίες. Είναι ενδιαφέρον, όταν συγχωνεύονται αυτές οι μαύρες τρύπες, στέλνουν πολλή ενέργεια. Η ενέργεια εκπέμπει επίσης βαρυτικά κύματα, τα οποία οι αστρονόμοι μπορούν τώρα να μετρήσουν.

Εάν οι συγκεντρώσεις είναι η απάντηση, τότε παρέχουν μια μερική λύση στο ενδιάμεσο πρόβλημα της μαύρης τρύπας. Και στις δύο περιπτώσεις, η απάντηση δεν είναι σαφής. Απαιτείται πολύ περισσότερη δουλειά για να παρατηρηθούν και να χαρακτηριστούν οι γαλαξίες και οι μαύρες τρύπες τους.

Επιστρέφοντας στην επιστημονική φαντασία και τις μαύρες τρύπες, υπάρχουν ιδιότητες που λυγίζουν απόλυτα το μυαλό που έχουν χρησιμοποιήσει οι συγγραφείς. Ιστορίες του ταχύτερα από το ταξίδι με το φως, το διαστρικό ταξίδι και το ταξίδι στο χρόνο περικλείει μυθιστορήματα επιστημονικής φαντασίας. Υπάρχουν ακόμη και θεωρίες ότι οι μαύρες τρύπες είναι πύλες σε εναλλακτικά σύμπαντα.

Υπάρχουν λοιπόν στοιχεία που να υποστηρίζουν κάποια από αυτές τις ιδέες; Στην πραγματικότητα, ναι, αν και μόνο σε πολύ ακραίες συνθήκες. Η ιδέα να χρησιμοποιούμε μαύρες τρύπες σαν σκουληκότρυπες που με κάποιο τρόπο μας συνδέουν με την άλλη πλευρά του σύμπαντος ήταν εδώ και δεκαετίες. Είναι μια μεγάλη και φανταστική φαντασία που πιθανότατα δεν θα γίνει πραγματικότητα σύντομα.

Οι δυνατότητες υπολογίστηκαν ακόμη και χρησιμοποιώντας τη σοβαρή φυσική και γενική σχετικότητα. Έτσι, θεωρητικά, αυτά τα πράγματα θα μπορούσαν να συμβούν, όπως αποδείχθηκε στην ταινία του 2014 Διάστερος. Ο φυσικός που συνεργάστηκε με τους κινηματογραφιστές έφερε μερικές θεωρητικές ιδέες που υποστήριζαν την ταινία και δούλεψαν επιστημονικά. Ωστόσο, η απαιτούμενη τεχνολογία εξακολουθεί να μην είναι διαθέσιμη και πρέπει να πληρούνται ποικίλες ειδικές συνθήκες. Αλλά ποιος ξέρει - μεγάλο μέρος της τεχνολογίας που χρησιμοποιούν οι άνθρωποι για πτήση σήμερα ήταν επίσης κάποτε αδύνατο.

• Υπερβολικές μαύρες τρύπες υπάρχουν στις καρδιές πολλών γαλαξιών, συμπεριλαμβανομένου του Γαλαξία.
• Μερικοί γαλαξίες, όπως ο γαλαξίας της Ανδρομέδας, μπορεί να έχουν περισσότερα από ένα από αυτά τα τέρατα.
• Όταν οι γαλαξίες συγχωνευθούν, οι μαύρες τρύπες μπορούν επίσης να συγχωνευθούν.
• Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες μπορούν να έχουν έως και δισεκατομμύρια αστρικές μάζες κρυμμένες μέσα.
• Ο δικό μας Γαλαξίας μας έχει μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα που ονομάζεται Τοξότης Α *

• Μοχόν, Λι. "Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες εκμηδενίζουν τους γαλαξίες τους". NASA, NASA, 15 Φεβ. 2018, www.nasa.gov/mission_pages/chandra/news/supermassive-black-holes-are-outgrowing-the-galaxies.html.
• Saplakoglu, Yasemin. "Μηδενισμός στο πώς σχηματίστηκαν υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες". Scientific American, 29 Σεπτεμβρίου 2017, www.scientificamerican.com/article/zeroing-in-on-how-supermassive-black-holes-formed1/.
• "Υπερβολική μαύρη τρύπα | ΣΥΜΠΑΝ." Κέντρο αστροφυσικής και υπερυπολογιστών, astronomy.swin.edu.au/cosmos/s/supermassive μαύρη τρύπα.

Επεξεργάστηκε και ενημερώθηκε από Carolyn Collins Petersen.