Πριν από 26.000 χρόνια κάτι εξαιρετικό συνέβη στο κέντρο του Γαλαξία μας. Ένα αστέρι πέρασε τόσο κοντά από το κέντρο του που έδωσε τη δυνατότητα στους επιστήμονες να επαληθεύσουν τον περασμένο Μάϊο τη γενική θεωρία της σχετικότητας στο πιο ακραίο περιβάλλον! Το μπόνους; Τρεις εκλάμψεις τον περασμένο Ιούνιο, που επιβεβαίωσαν ότι στο κέντρο του Γαλαξία μας κατοικεί μια μαύρη τρύπα!
Ας τα πάρουμε όμως από την αρχή.
Τι είναι η γενική θεωρία της σχετικότητας; Το 1915 ο Άλμπερτ Αϊνστάιν εξέδωσε τη γενική θεωρία της σχετικότητας, η οποία έδινε μια περιγραφή της βαρύτητας σαν μια γεωμετρική ιδιότητα του χώρου και χρόνου. Ήταν η πρώτη φορά που η έννοια του χώρου ενώθηκε με αυτή του χρόνου σε μία, αυτή του χωροχρόνου.
Η γενική θεωρία της σχετικότητας διαφέρει από την κλασική μηχανική και το νόμο της παγκόσμιας έλξης του Νεύτωνα. Ο νόμος της παγκόσμιας έλξης περιγράφει τι συμβαίνει σε δύο αντικείμενα που έλκονται μεταξύ τους λόγω της μάζας τους και επακολούθως της βαρυτικής έλξης που ασκεί το ένα στο άλλο. Όμως, βάσει της γενικής θεωρίας της σχετικότητας ένα αντικείμενο που έχει μάζα αλλάζει τις ιδιότητες του χώρου και χρόνου, του χωροχρόνου που το περιβάλλουν.
Φανταστείτε μια παρέα παιδιών που κρατάνε ένα κυκλικό πανί τεντωμένο και στο κέντρο του ρίχνουν μια βαριά μπάλα. Η μπάλα κάνει το πανί να βουλιάξει με τον ίδιο τρόπο που κάνει ο ήλιος μας ή μια μαύρη τρύπα, για παράδειγμα, τον χωροχρόνο να “βουλιάξει”. Ή αλλιώς, να καμπυλωθεί. Έτσι και κάθε αντικείμενο που έχει μάζα καμπυλώνει το χωροχρόνο. Αν τα παιδιά ρίξουν μια μικρότερη μπάλα πάνω στο πανί, αυτή θα κινηθεί πάνω στην επιφάνεια του πανιού και θα ακολουθήσει την καμπύλη της επιφάνειάς του. Αντιστοίχως, η Γη όταν κινείται γύρω από τον Ήλιο ή ένα αντικείμενο που κινείται γύρω από μια μαύρη τρύπα ακολουθεί την καμπύλη αυτή του χωροχρόνου που δημιουργεί η μαύρη τρύπα, λόγω της μάζας της.
Παρόλο που η γενική θεωρία της σχετικότητας έχει επαληθευτεί πολλές φορές μέχρι σήμερα: στο εργαστήριο ή από την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων λόγω της σύγκρουσης μελανών οπών (αλλιώς η μαύρη τρύπα) για παράδειγμα, δεν είχε επαληθευτεί στο πιο ακραίο περιβάλλον, αυτό γύρω από μια μαύρη τρύπα. Ένα περιβάλλον όπου επικρατούν τεράστιες βαρυτικές έλξεις, όπου ο χρόνος μετράει διαφορετικά, που η ύλη παγιδεύεται και ακόμα και που το ίδιο το φως κάμπτεται και δε μπορεί να ξεφύγει!
Για να επαληθευτεί η γενική θεωρία της σχετικότητας σε ένα ακραίο περιβάλλον όπως μια μαύρη τρύπα έπρεπε να μπορέσουν οι επιστήμονες να παρατηρήσουν πως επιδρά στο περιβάλλον της με μεγάλη ακρίβεια. Χρειάζονταν δηλαδή μια μεγάλου μεγέθους μαύρη τρύπα που να βρίσκεται σχετικά “κοντά” μας και να την παρατηρήσουν με τα πιο ισχυρά τηλεσκόπια. Άρχισαν λοιπόν να μελετάνε το κέντρο του Γαλαξία μας, την πιο κοντινή μας υπερμεγέθη μαύρη τρύπα.
Βάσει παρατηρήσεων και έρευνας ετών, γνωρίζουμε ότι στο κέντρο του Γαλαξία μας υπάρχει μια πολύ συμπαγής πηγή, ο Τοξότης/Sagitarrius A* ή Sgr A*, που εκπέμπει στο ευρύ φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (ακτίνες-Χ μέχρι ραδιοκύματα) και που είναι μεταβλητή, δηλαδή αλλάζει η φωτεινότητά της με την πάροδο του χρόνου. Αυτή η πηγή πιθανότατα συνδέεται με μια μαύρη τρύπα, η οποία είναι 4,14 εκατομμύρια φορές πιο μαζική από τον Ήλιο μας, το αστέρι του ηλιακού μας συστήματος. Λόγω της μεγάλης μάζας της, έλκει την ύλη που βρίσκεται γύρω της. Αν για παράδειγμα υπάρχουν αστέρια κοντά της, αυτά θα κινούνται σε τροχιές γύρω από τη μαύρη τρύπα. Όπως η Γη βρίσκεται σε τροχιά γύρω από τον Ήλιο.
Μετά από παρατηρήσεις 26 ετών ξέρουμε ότι ο Sgr A* περιβάλλεται από ένα πυκνό σμήνος νέων και γηρασμένων αστέρων, των οποίων γνωρίζουμε καλά τις τροχιές. Το πιο σημαντικό όμως είναι ότι έχουμε χαρτογραφίσει την τροχιά του πιο κοντινού αστέρα στον Sgr A*, του S2, με εξαιρετική ακρίβεια. Μπορούμε να πούμε σε ποιό σημείο στο χώρο βρίσκεται ο S2 την κάθε δεδομένη στιγμή!
Γιατί είναι σημαντικό; Γιατί γνωρίζοντας την ακριβή θέση και υπολογίζοντας την ταχύτητα του αντικειμένου καθώς κινείται γύρω από τη μαύρη τρύπα μπορούν να τεστάρουν τη γενική θεωρία της σχετικότητας στο πιο ακραίο περιβάλλον, αυτό στη γειτονιά μιας μαύρης τρύπας!
Και η ιστορία έχει ως εξής:
Πριν από 26 έτη άρχισαν να παρατηρούν με μεγάλα τηλεσκόπια το κέντρο του Γαλαξία μας. Τα γκρουπ που έκαναν τις παρατηρήσεις βρίσκονται σε Ευρώπη (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, MPE) και University of Cologne και ΗΠΑ (University of California at Los Angeles, UCLA και χρησιμοποίησαν τα ESO New Technology Telecsope, NTT, το Very Large Telescope, VLT, καθώς και τα τηλεσκόπια Keck.
Το S2 χρειάζεται 16 έτη για να κάνει μια περιστροφή γύρω από το κέντρο του Γαλαξία μας. Παρομοίως, η Γη χρειάζεται 1 έτος για να κάνει μια περιστροφή γύρω από τον Ήλιο μας. Οι ερευνητές αυτοί ήξεραν ακριβώς που και πότε έπρεπε στρέψουν το τηλεσκόπιο πάνω του για να κάνουν το πείραμα τους, να τεστάρουν τη γενική θεωρία της σχετικότητας και περίμεναν 16 χρόνια για αυτό!
Το επίσης σημαντικό, έπρεπε να επαληθεύσουν ότι το αστέρι αυτό δεν βρίσκεται σε διπλό σύστημα με άλλο αστέρι που να μοιράζονται το ίδιο βαρυτικό κέντρο και να περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο. Αστέρια τέτοιου τύπου βρίσκονται συνήθως σε διπλό σύστημα, είναι ζευγάρια. Σε τέτοια περίπτωση το πείραμα θα ήταν πολύ πιο δύσκολο, καθώς θα έπρεπε να λάβουν υπόψη τη σχετική τους κίνηση. Μελέτησαν λοιπόν 10.000 αστρικές τροχιές από περίπου 45 αστέρια και επαλήθευσαν ότι δεν έχει σύντροφο, είναι μονοαστέρι! Και γι’αυτό ίσως και να περνάει πιο καλά…
Τα πιο πρόσφατα δεδομένα, τα οποία είχαν και τη μεγαλύτερη ακρίβεια, έγιναν από μια διεθνή ομάδα υπό την καθοδήγηση του Reinhard Genzel από το Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) στο Garching της Γερμανίας, σε συνεργασία με ερευνητές από το Paris Observatory–PSL, το Université Grenoble Alpes, το CNRS, το Max Planck Institute for Astronomy, το University of Cologne, το Πορτογαλικό CENTRA – Centro de Astrofisica e Gravitação και το ESO.
Και τα κατάφεραν! Τον περασμένο Μάϊο, όταν ο S2 ήταν στην πιο κοντινή απόσταση από τον Sgr A*, μόλις 120 αστρονομικές μονάδες μακριά (1 αστρονομική μονάδα είναι η απόσταση Γης-Ήλιου), έστρεψαν το πιο ισχυρό υπέρυθρο τηλεσκόπιο πάνω του.
Ποιό; Το “Βαρύτητα” φυσικά! Το GRAVITY είναι ένα αστρονομικό όργανο τελευταίας τεχνολογίας το οποίο και τοποθέτησαν στο Very Large Telescope (VLT) στη Χιλή.
Το GRAVITY είναι ένα συμβολόμετρο (interferometer) το οποίο συλλέγει τις παρατηρήσεις από τα 4 κατοπτρικά τηλεσκόπια του VLT, με καθρέπτες 8.2 μ το καθένα, σε ένα σημείο. Σκοπός είναι η παρατήρηση ενός αστρονομικού αντικειμένου με εξαιρετική διακριτική ικανότητα ώστε να το ξεχωρίσουν από άλλα γειτονικά αντικείμενα. Για παράδειγμα, αν δυο αντικείμενα στον ουρανό βρίσκονται σε απόσταση μικρότερη του ενός εκατομμυριοστού της μοίρας το ένα από το άλλο, τότε το GRAVITY μπορεί να τα διακρίνει. Αυτή η απόσταση είναι μικροσκοπική! Φανταστείτε, η Σελήνη είναι περίπου μισή μοίρα στον ουρανό και μπορούμε να την παρατηρήσουμε και να διακρίνουμε λεπτομέρειες στην επιφάνειά της ακόμα και με μη επαγγελματικά τηλεσκόπια. Κάτι τέτοιο δε μπορεί να συμβεί για το κέντρο του Γαλαξία μας. Χρειαζόμαστε το GRAVITY!
Το GRAVITY παρατηρεί στο υπέρυθρο της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Ο λόγος, η μεγάλη ποσότητα σκόνης στο κέντρο του Γαλαξία που δυσκολεύει την παρατήρηση με οπτικά τηλεσκόπια δημιουργώντας ένα τοίχο μεταξύ εμάς και του αντικειμένου που θέλουμε να παρατηρήσουμε. Αντιθέτως, τα τηλεσκόπια που παρατηρούν στο υπέρυθρο είναι τυφλά στη σκόνη, δε τη βλέπουν, την διαπερνούν! Και σαν αποτέλεσμα μπορούμε να δούμε τα αντικείμενα που βρίσκονται πίσω από αυτή.
Έτσι το GRAVITY μπόρεσε να δει με τα διαπεραστικά του ‘μάτια’ το κέντρο του Γαλαξία μας και να ξεχωρίσει το S2 από τον Sgr A* όταν το αστέρι ήταν μόλις τρία εκατομμυριοστά της μοίρας (περίπου 20 δισεκατομμυρία χιλιομέτρα) μακριά από τη μαύρη τρύπα, στην πιο κοντινή του απόσταση, γνωστή ως αψίς (pericenter).
Και τι μάθανε;
Οι επιστήμονες που κατασκεύασαν το GRAVITY είχαν ως σκοπό να μελετήσουν ένα φαινόμενο που λέγεται βαρυτική μετατόπιση προς το ερυθρό ή gravitational redshift. Με απλά λόγια, το φαινόμενο αυτό περιγράφει τι θα συμβεί σε ένα φωτόνιο που κινείται με την ταχύτητα του φωτός αν προσπαθήσει να ξεφύγει από ένα πολύ μαζικό αντικείμενο. Η ταχύτητά του δε θα αλλάξει, όμως η έλξη από το μαζικό αντικείμενο θα επιδράσει επάνω του με αποτέλεσμα να χάσει ενέργεια προς το περιβάλλον. Αν ισχύει λοιπόν η γενική θεωρία της σχετικότητας στο περιβάλλον γύρω από τη μαύρη τρύπα, το φως από το αστέρι που φτάνει σε εμάς θα μετατοπιστεί σε μεγαλύτερα μήκη κύματος (θα χάσει ενέργεια) λόγω της μαύρης τρύπας.
Αυτό ακριβώς και συνέβη. Το μήκος κύματος του αστέρα S2 που παρατήρησαν, μετατοπίσθηκε προς μεγαλύτερα μήκη κύματος ακριβώς όπως προβλέπει η γενική θεωρία της σχετικότητας. Και ήταν η πρώτη φορά που αυτό παρατηρήθηκε στην κίνηση ενός αστέρα γύρω από μια μαύρη τρύπα εκατομμυρίων ηλιακών μαζών.
Συγκεκριμένα, από την ακριβή γνώση της θέσης και ταχύτητας του αστέρα, (7.600 χιλιόμετρα την ώρα ή 3% της ταχύτητας του φωτός) συνέκριναν τα αποτελέσματά τους με το νόμο της παγκόσμιας έλξης του Νεύτωνα, τη γενική θεωρία της σχετικότητας, καθώς και με άλλες θεωρίες για τη βαρύτητα. Με μεγάλη τους χαρά είδαν ότι τα αποτελέσματα συμφωνούσαν με εξαιρετική ακρίβεια με αυτά που προβλέπει η γενική θεωρία της σχετικότητας!
Όχι δε φώναξαν ‘Εύρηκα’! Δε το συνηθίζουμε άλλωστε οι αστροφυσικοί. Σίγουρα το γιόρτασαν μεγαλοπρεπώς. Η ιστορία όμως δεν τελείωσε εδώ. Οι ίδιες ομάδες συνεχίζουν να παρατηρούν τη μαύρη τρύπα στο κέντρο του Γαλαξία μας, καθώς και τη γειτονιά της, για να μάθουν όσα μπορούν περισσότερα για το αινιγματικό κέντρο του Γαλαξία μας.
Και η τύχη τους χαμογέλασε! Τον περασμένο Ιούνιο του 2018 παρατήρησαν για πρώτη φορά, προς μεγάλη τους έκπληξη, τρεις εκλάμψεις από το κέντρο του Γαλαξία μας. Αυτές οι εκλάμψεις, που είναι παρόμοιες με αυτές στον Ήλιο μας, ή αλλιώς εκρήξεις λόγω του ισχυρού του μαγνητικού πεδίου, δίνουν τη δυνατότητα στους επιστήμονες να μελετήσουν τις ιδιότητες της μαύρης τρύπας.
Οι παρατηρήσεις ήταν εξαιρετικές! Το υλικό αυτό που παρατήρησαν κινείται με ταχύτητα 30% της ταχύτητας του φωτός γύρω από τον Sgr A*. Η περιοχή από την οποία προέρχονται αυτές οι εκλάμψεις βρίσκεται πολύ κοντά στη μαύρη τρύπα, πιο κοντά από τον S2, σε μια περιοχή που λέγεται δίσκος προσαύξησης (accretion disk) και συγκεκριμένα κοντά στο σημείο δίχως επιστροφή! Τον ορίζοντα γεγονότων: το τελευταίο σημείο γύρω από τη μαύρη τρύπα πριν χαθεί ένα αντικείμενο μέσα της. Αλλιώς, αν ένα αντικείμενο ή μια πληροφορία περάσει μέσα από τον ορίζοντα γεγονότων δε μπορούμε πια να το δούμε ούτε η πληροφορία να φτάσει σε εμάς.
Έκαναν λοιπόν τους υπολογισμούς τους και έφτασαν στο συμπέρασμα ότι ο Sgr A* είναι μια μαύρη τρύπα τύπου Schwarzschild-Kerr: περιστρέφεται γύρω από τον εαυτό της και έχει έναν ορίζοντα γενονότων. Επίσης, η μαύρη τρύπα φαίνεται συμμετρική αν περιστραφεί γύρω από έναν άξονα, όπως ένα βάζο φαίνεται συμμετρικό.
Πραγματικά εκπληκτικά αποτελέσματα! Πλέον ξέρουμε ότι ο Sgr A* είναι πιθανότατα μια μαύρη τρύπα, ξέρουμε τον τύπο της, τη μάζα της, τη γειτονιά της, επαληθεύσαμε τη γενική θεωρία της σχετικότητας στο πιο ακραίο περιβάλλον…τι γίνεται όμως, θα τη δούμε αυτή τη μαύρη τρύπα; Πως είναι; Μπορούμε να βγάλουμε μια φωτογραφία;
Επιστήμονες της συνεργασίας Event Horizon Telescope επιδιώκουν να κάνουν ακριβώς αυτό! Να βγάλουν μια φωτογραφία της μαύρης τρύπας στο κέντρο του Γαλαξία μας! Πώς; Χρησιμοποιώντας τηλεσκόπια από όλο τον κόσμο ώστε να φτιάξουν την πιο ισχυρή κάμερα! Μια κάμερα στο μέγεθος της Γης! Κάτι τέτοιο φυσικά δεν είναι εύκολο και μέχρι τώρα έχουμε μόνο φωτογραφίες της μαύρης τρύπας που προέρχονται από προσομοιώσεις. Αναμένουμε λοιπόν με αγωνία την πρώτη φωτογραφία της μαύρης τρύπας στο κέντρο του Γαλαξία μας! Και κάτι μου λέει ότι θα τη δούμε πάρα πολύ σύντομα!
Πηγές:
Επιστημονικό άρθρο Gravity Collaboration et al. 2018a
Επιστημονικό άρθρο για το αστέρι S2
