Θα ασχοληθούμε με ένα δημιούργημα του Σύμπαντος που όλες και όλοι έχουμε αναφέρει. Το χρησιμοποιούμε ως κάτι πολύ «κακό», καταστροφικό ίσως. Για εμάς τους ανθρώπους μπορεί να είναι και έτσι, αλλά για τους φυσικούς αποτελεί ένα αντικείμενο ιδιαίτερα ενδιαφέρον και προκλητικό. Ο πασίγνωστος άνθρωπος που αφοσιώθηκε στη μελέτη του ήταν ο Στίβεν Χώκινγκ, που έφυγε από κοντά μας τον Μάρτιο του 2018.
Τι είναι οι μαύρες τρύπες;
Μαύρη τρύπα (ή μελανή οπή, αγγλικά: black hole) ονομάζεται το σημείο του χωροχρόνου, στο οποίο οι βαρυτικές δυνάμεις είναι τόσο μεγάλες, ώστε τίποτε – ούτε καν το φως – δεν μπορεί να διαφύγει.
Ο όρος «μαύρη τρύπα» είναι ευρύτατα διαδεδομένος και επινοήθηκε το 1967 από τον Αμερικανό αστρονόμο και θεωρητικό φυσικό, Τζον Γουίλερ. Δεν αναφέρεται σε τρύπα με τη συνήθη έννοια (οπή), αλλά σε μια περιοχή του χώρου, από την οποία τίποτα δεν μπορεί να διαφύγει.
Μία μαύρη τρύπα είναι το σημείο εκείνο του διαστήματος, όπου κάποτε υπήρχε ο πυρήνας ενός υπεργιγάντιου άστρου. Το άστρο αυτό περιείχε περισσότερο υλικό από δυόμισι ηλιακές μάζες. Στο τέλος της ζωής έχασε την πάλη του ενάντια στη βαρύτητα με αποτέλεσμα το υλικό του να καταρρεύσει και να συμπιεστεί περισσότερο ακόμα και από το υλικό ενός αστέρα νετρονίων.
Αν τα παραπάνω είναι λίγο «ακαταλαβίστικα» αγνοήστε τα και ας προσπαθήσουμε να τα απλοποιήσουμε.
Η Γη, όπως και κάθε υλικό σώμα, χαρακτηρίζεται από μία εγγενή ιδιότητα που οι φυσικοί ονομάζουν βαρύτητα. Στα μεγάλα σώματα, όπως η Γη, η βαρύτητα είναι τεράστια. Αποτελεί την αιτία εξαιτίας της οποίας δεν μπορούμε να πετάξουμε, δεν κινδυνεύουμε να «πέσουμε» στο κενό αλλά και λόγω της βαρύτητας ο μικρός πλανήτης μας έχει ατμόσφαιρα. Για να διαφύγει κανείς από την βαρυτική έλξη της Γης μας χρειάζεται έναν ταχύτατο πύραυλο που να κινείται με ταχύτητα λίγο μεγαλύτερη από 40.000 χιλιομέτρων την ώρα (11,2 χλμ. το δευτερόλεπτο). Μ’ αυτή την ταχύτητα ο πύραυλος κινείται τόσο γρήγορα ώστε η βαρυτική δύναμη της Γης μας δεν μπορεί να τον αναγκάσει να επιστρέψει πίσω στην επιφάνεια. Η ταχύτητα αυτή ονομάζεται «ταχύτητα διαφυγής».
Όσο όμως αυξάνεται η βαρύτητα των ουρανίων σωμάτων, τόσο πιο μεγάλη είναι και η ταχύτητα διαφυγής μας από αυτό. Αν θέλαμε δηλαδή να διαφύγουμε από τον Δία, θα έπρεπε να ταξιδεύαμε έξι φορές πιο γρήγορα από την ταχύτητα που χρειαζόμαστε για να διαφύγουμε από την Γη. Εκεί η απαιτούμενη ταχύτητα διαφυγής είναι 240.000 χιλιομέτρων την ώρα, ενώ του Ήλιου είναι μεγαλύτερη από δύο εκατομμύρια χιλιόμετρα την ώρα!
Η μεγαλύτερη ταχύτητα στην φύση είναι η ταχύτητα του φωτός. Το φως έχει το απόλυτο παγκόσμιο ρεκόρ με τιμή 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Μία μαύρη τρύπα, λοιπόν, διαθέτει τόσο τεράστια ποσότητα μάζας ώστε η απαιτούμενη ταχύτητα διαφυγής της να είναι μεγαλύτερη και από αυτήν την ταχύτητα του φωτός. Επομένως ακόμη και μια ακτίνα φωτός, παρά την ταχύτητά της, δεν μπορεί να διαφύγει. Άρα το φως που παγιδεύτηκε σε μία μαύρη τρύπα μένει για πάντα φυλακισμένο εκεί και δεν είναι δυνατόν να φτάσει μέχρι τα μάτια μας ώστε να το δούμε.
Με αυτή την έννοια το ξεχωριστό αυτό αντικείμενο έχει τον επιθετικό προσδιορισμό «μαύρη». Δεδομένου ότι τίποτα δεν μπορεί να τρέξει γρηγορότερα από το φως, οτιδήποτε «πέσει» στο εσωτερικό του είναι παγιδευμένο να μείνει εκεί για πάντα, χωρίς δυνατότητα επιστροφής στον κανονικό χώρο και χρόνο του Σύμπαντος στο οποίο ζούμε.
Γιατί όμως «τρύπα;»
Μια μαύρη τρύπα είναι δύσκολο να κατανοηθεί από τον ανθρώπινο νου, και ίσως αυτό να οφείλεται μερικώς, τουλάχιστον, στον όρο «τρύπα». Μια μαύρη τρύπα δεν είναι μια τρύπα σε «κάτι», σε ένα υλικό περιβάλλον. Είναι από μόνη της ένα «κάτι», είναι μια τρισδιάστατη, σφαιρική «τρύπα», ή αν προτιμάτε, μια «στερεή τρύπα». Είναι δηλαδή μια σφαίρα ύλης και όχι ένα κενό ύλης. Αφού λοιπόν είναι σφαιρική από παντού φαίνεται ίδια, ενώ αν μπορούσαμε να κοιτάξουμε μέσα της δεν θα βλέπαμε την άλλη μεριά, αλλά θα αντικρίζαμε ένα άπειρο σκοτάδι που θα ήταν το ίδιο απ’ οπουδήποτε και αν κοιτάζαμε. Η περιφέρεια της σφαίρας ονομάζεται «ορίζοντας των γεγονότων» (event horizon).
Η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν μας λέει ότι κάθε τι το υλικό στο Σύμπαν, δημιουργεί μια παραμόρφωση στον χωρόχρονο γύρω από το αντικείμενο αυτό. Η παραμόρφωση μάλιστα αυτή είναι τόσο μεγαλύτερη όσο μεγαλύτερη είναι και η ποσότητα των υλικών που περιέχονται στο αντικείμενο που την δημιουργεί. Η θεωρία όμως του Αϊνστάιν υπονοεί επίσης ότι στο Σύμπαν θα μπορούσε να υπάρξει και κάποιο αντικείμενο με υλικά απείρως συμπιεσμένα. Εκεί η δύναμη της βαρύτητάς παραμορφώνει τον χώρο γύρω του σε αφάνταστο βαθμό. Οτιδήποτε δηλαδή και αν εισχωρήσει στη μαύρη τρύπα «χάνεται» από το Σύμπαν.
Μ’ αυτή λοιπόν την έννοια χρησιμοποιείται και ο όρος μαύρη τρύπα: διότι αυτή η διαστημική ρουφήχτρα έλκει οτιδήποτε συναντήσει στο διάβα της και αυτό το «οτιδήποτε» δεν θα μπορέσει ποτέ να δραπετεύσει. Οι πληροφορίες μας για αυτές δεν μπορούν να καταγραφούν άμεσα ούτε κι αυτό ακόμη το φως δεν έχει την δυνατότητα να διαφύγει και να καταγραφεί από τα μάτια μας ή τα διάφορα άλλα όργανα των αστεροσκοπείων μας.
Στην ουσία πρόκειται για μία περιοχή του Σύμπαντος όπου οι γνωστοί σε εμάς νόμοι της φυσικής παύουν να ισχύουν.
Η πυκνότητα της μαύρης τρύπας πλησιάζει στην τιμή του απείρου. Σκεφτείτε ότι για να γίνει η Γη μαύρη τρύπα θα έπρεπε να συρρικνωθεί και η ακτίνα της από 6.300 χιλιόμετρα να γινόταν μόλις 9 χιλιοστά. Να έχει δηλαδή το μέγεθος ενός κερασιού! Τότε η ταχύτητα διαφυγής από εκείνη την θα έφτανε την ταχύτητα του φωτός. Αντίστοιχα ο Ήλιος θα έπρεπε να μειώσει την ακτίνα του στα 3 χιλιομέτρων (στα 4 εκατομμυριοστά του τωρινού του μεγέθους. Φυσικά, δεν υπάρχει καμία γνωστή διαδικασία που θα μπορούσε να μετατρέψει τη Γη ή ακόμα και τον Ήλιο, σε μαύρη τρύπα. Η κρίσιμη ακτίνα όπου η ταχύτητα διαφυγής φτάνει την ταχύτητα του φωτός, δημιουργώντας έτσι μια μαύρη τρύπα, ονομάζεται ακτίνα Σβάρτσιλντ.
Αν ποτέ σάς προτείνουν ένα ταξίδι σε μία μαύρη τρύπα, μην δεχθείτε. Δεν είναι μόνο ότι δεν θα επιστρέψετε ποτέ. Είναι και η πλήρης αποσύνθεση της υλικής σας υπόστασης όταν θα βρεθείτε πολύ κοντά της. Τα σωματίδια από τα οποία όλες και όλοι αποτελούμαστε, θα έλκονται με τόσο ισχυρές δυνάμεις από αυτό του Συμπαντικό τέρας που αμέσως θα διασπαστεί κάθε σχηματισμός, μόριο ή άτομο, που μάς συνθέτει.
Το Γαλαξιακό κέντρο είναι το κέντρο περιστροφής του Γαλαξία μας και θεωρείται ότι βρίσκεται σε απόσταση περίπου 27 χιλιάδων ετών φωτός, προς την κατεύθυνση του Τοξότη και του Σκορπιού. Υπάρχουν στοιχεία ότι εκεί κοντά βρίσκεται μία τεράστια Μαύρη τρύπα. Οι συντεταγμένες του κέντρου ορίστηκαν για πρώτη φορά το 1918 αλλά έκτοτε υπολογίστηκαν ξανά με ποικίλους τρόπους (γεωμετρικούς, ακτινοβολίες κ.α.), χωρίς κανείς όμως να θεωρείται εντελώς ακριβής.
Και κάτι (εθνικοπατριωτικά) σημαντικό:
Ένας Έλληνας επιστήμονας της διασποράς, ο Δημήτρης Ψάλτης, καθηγητής Αστρονομίας και Φυσικής του Πανεπιστημίου της Αριζόνας, διαδραμάτισε κομβικό ρόλο στο νέο μεγάλο Τηλεσκόπιο Ορίζοντα Γεγονότων (Event Horizon Telescope – EHT), που πήρε την πρώτη εικόνα από μια μαύρη τρύπα τον Απρίλιο του 2019.
Η τερατώδης μαύρη τρύπα, στον γαλαξία Μessier 87, έχει διάμετρο περίπου 40 δισεκατομμυρίων χιλιομέτρων (τρία εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από τη Γη) και βρίσκεται σε απόσταση 500 εκατομμυρίων τρισεκατομμυρίων χιλιομέτρων.
Ο Δ. Ψάλτης και οι συνεργάτες του ανέλαβαν –για πρώτη φορά σε τέτοια αστροφυσική κλίμακα– να εξετάσουν κατά πόσο η εικόνα της μαύρης τρύπας επαληθεύει τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν. Γι’ αυτό το σκοπό αυτό ανέπτυξαν τα σχετικά «τεστ» και κατέληξαν στη σημαντική διαπίστωση ότι ο Αϊνστάιν για μια ακόμη φορά δικαιώθηκε, καθώς η εικόνα της μαύρης τρύπας τελικά ταιριάζει πολύ καλά στις προσομοιώσεις που είχαν προηγηθεί με βάση τη θεωρία.