Η NASA αποκαλύπτει ένα κρυφό σύμπαν από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες

Απεικόνιση του πυκνού πυρήνα σκόνης που περιβάλλει μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα και τους δίσκους προσαύξησης της.

Τους τελευταίους μήνες, διάφορα τηλεσκόπια της NASA συντόνισαν μια μοναδική προσπάθεια που έχει καταπλήξει την επιστημονική κοινότητα. Ξεκίνησαν να ψάξουν τον ουρανό για υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, κολοσσιαία αντικείμενα που μπορεί να έχουν δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη μάζα από τον Ήλιο.

Και ανακάλυψαν ότι υπάρχουν περισσότερες μαύρες τρύπες απ' ό,τι πραγματικά πίστευαν. Τα ευρήματά τους παρουσιάστηκαν σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Astrophysical Journal όπου περιγράφουν ότι πολλά από αυτά τα τερατώδη αντικείμενα κρύβονται πίσω από πυκνά νέφη αερίου και σκόνης στο διάστημα.

Οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι σχεδόν κάθε μεγάλος γαλαξίας στο σύμπαν έχει στο κέντρο του μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα. Όμως η απόδειξη αυτής της θεωρίας είναι δύσκολη, επειδή είναι αδύνατο να καταμετρηθούν τα δισεκατομμύρια ή ακόμη και τα τρισεκατομμύρια αυτών των μαύρων οπών σε όλο το σύμπαν.

Παρατηρημένες και θεωρητικές εικόνες του αστέρα M87. Στα αριστερά πλαίσια παρουσιάζονται εικόνες EHT του αστέρα M87 από τις εκστρατείες παρατήρησης του 2018 και του 2017. ΈΡΕΥΝΑ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΉ ΠΟΛΙΤΙΚΉ HUNG-VI PU/EHT/ΑΣΤΡΟΝΟΜΊΑ & ΑΣΤΡΟΦΥΣΙΚΉ

Για να αποφευχθεί αυτό, οι επιστήμονες ανέλυσαν μικρότερα δείγματα και τα χρησιμοποίησαν για να εκτιμήσουν τον ευρύτερο πληθυσμό. Προσδιορίζοντας με ακρίβεια πόσες μαύρες τρύπες κρύβονται μέσα σε ένα δείγμα, οι ερευνητές μπορούν να κάνουν καλύτερες προβλέψεις για τον συνολικό αριθμό των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών στο σύμπαν.

Η εργασία που παρουσιάστηκε διαπίστωσε ότι περίπου το 35% των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών είναι σοβαρά καλυμμένες, δηλαδή τα νέφη αερίου και σκόνης που τις περιβάλλουν είναι τόσο πυκνά που εμποδίζουν ακόμη και το φως των ακτίνων Χ χαμηλής ενέργειας.

Αν και οι μαύρες τρύπες είναι εγγενώς σκοτεινές - ούτε το φως δεν μπορεί να διαφύγει από τη βαρύτητά τους - μπορούν επίσης να είναι μερικά από τα πιο φωτεινά αντικείμενα στο σύμπαν. Και αυτό συμβαίνει όταν το αέριο τραβιέται σε τροχιά γύρω από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα, όπως το νερό σε έναν αγωγό - η ακραία βαρύτητα δημιουργεί τόσο έντονη τριβή και θερμότητα που το αέριο φτάνει σε εκατοντάδες χιλιάδες βαθμούς και ακτινοβολεί τόσο έντονα που μπορεί να επισκιάσει όλα τα αστέρια στον περιβάλλοντα γαλαξία.

Για να επιβεβαιώσουν την παρουσία πολύ σκοτεινών, ακραίων μαύρων τρυπών, οι ερευνητές βασίστηκαν στο NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) της NASA (Warner Bros.)

Τα νέφη αερίου και σκόνης που περιβάλλουν και αναπληρώνουν τον φωτεινό κεντρικό δίσκο μπορεί να έχουν περίπου το σχήμα ενός τόρου ή ενός ντόνατ. Αν η τρύπα του ντόνατ είναι στραμμένη προς τη Γη, ο φωτεινός κεντρικός δίσκος στο εσωτερικό του είναι ορατός- αν το ντόνατ είναι στραμμένο προς την άκρη, ο δίσκος είναι κρυμμένος.

Σε προηγούμενες μελέτες, οι αστρονόμοι είχαν διαπιστώσει ότι λιγότερο από το 15% των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών είναι τόσο καλυμμένες. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η πραγματική κατανομή θα πρέπει να είναι πιο κοντά στο 50/50 με βάση τα μοντέλα του τρόπου με τον οποίο αναπτύσσονται οι γαλαξίες.

Αν οι παρατηρήσεις συνεχίσουν να δείχνουν ότι σημαντικά λιγότερες από τις μισές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες κρύβονται, οι επιστήμονες θα πρέπει να προσαρμόσουν ορισμένες βασικές ιδέες που έχουν για τα αντικείμενα αυτά και τον ρόλο που παίζουν στον σχηματισμό των γαλαξιών.

Εντοπισμός κρυμμένων γιγάντων με σύγχρονα τηλεσκόπια

Τα περισσότερα τηλεσκόπια μπορούν να εντοπίσουν τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες μετωπικά αρκετά εύκολα (UNIVERSITY/SARAO)

Τα περισσότερα τηλεσκόπια μπορούν αρκετά εύκολα να αναγνωρίσουν υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες μετωπικά, αν και όχι ακραία. Υπάρχει όμως μια εξαίρεση την οποία εκμεταλλεύτηκαν οι συγγραφείς της νέας δημοσίευσης: Ο τόρος απορροφά το φως από την κεντρική πηγή και επανεκπέμπει φως χαμηλότερης ενέργειας στην υπέρυθρη περιοχή (μήκη κύματος λίγο μεγαλύτερα από αυτά που μπορούν να ανιχνεύσουν τα ανθρώπινα μάτια). Ουσιαστικά, οι δακτύλιοι λάμπουν στο υπέρυθρο.

Αυτά τα μήκη κύματος του φωτός ανιχνεύθηκαν από τον δορυφόρο υπέρυθρης αστρονομίας της NASA, ή IRAS, ο οποίος λειτούργησε για 10 μήνες το 1983 και τον διαχειρίστηκε το Εργαστήριο Αεριοπροώθησης της NASA στη Νότια Καλιφόρνια. Το IRAS, ένα τηλεσκόπιο έρευνας που έπαιρνε εικόνες ολόκληρου του ουρανού, ήταν σε θέση να δει υπέρυθρες εκπομπές από τα νέφη που περιβάλλουν τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες. Το σημαντικότερο είναι ότι μπορούσε να ανιχνεύσει τις μαύρες τρύπες με την ίδια ακρίβεια τόσο από την άκρη όσο και από το πρόσωπο.

Το IRAS εντόπισε εκατοντάδες αρχικούς στόχους. Ορισμένοι από αυτούς αποδείχθηκε ότι δεν ήταν πολύ κρυφές μαύρες τρύπες, αλλά γαλαξίες με υψηλούς ρυθμούς σχηματισμού άστρων που εκπέμπουν παρόμοια υπέρυθρη λάμψη. Έτσι, οι συγγραφείς της νέας μελέτης χρησιμοποίησαν επίγεια τηλεσκόπια ορατού φωτός για να εντοπίσουν αυτούς τους γαλαξίες και να τους διαχωρίσουν από τις κρυμμένες μαύρες τρύπες.

Απεικόνιση του διαστημικού σκάφους NuSTAR, το οποίο διαθέτει έναν ιστό 10 μέτρων που χωρίζει τις οπτικές μονάδες (δεξιά) από τους ανιχνευτές εστιακού επιπέδου (αριστερά). Ο διαχωρισμός αυτός είναι απαραίτητος για τη μέθοδο που χρησιμοποιείται για την ανίχνευση των ακτίνων Χ. Πηγή: NASA/JPL-Caltech

Για να επιβεβαιώσουν την παρουσία βαθιά σκοτεινών, ακραίων μαύρων τρυπών, οι ερευνητές βασίστηκαν στο NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) της NASA , ένα παρατηρητήριο ακτίνων Χ που επίσης διαχειρίζεται το JPL. Οι ακτίνες Χ εκπέμπονται από κάποιο από τα πιο θερμά υλικά γύρω από τη μαύρη τρύπα.

Οι ακτίνες Χ χαμηλότερης ενέργειας απορροφώνται από τα περιβάλλοντα νέφη αερίου και σκόνης, ενώ οι ακτίνες Χ υψηλότερης ενέργειας που παρατηρούνται από το NuSTAR μπορούν να διαπεράσουν και να σκεδαστούν από τα νέφη. Η ανίχνευση αυτών των ακτίνων Χ μπορεί να απαιτήσει ώρες παρατήρησης, οπότε οι επιστήμονες που εργάζονται με το NuSTAR χρειάζονται πρώτα ένα τηλεσκόπιο όπως το IRAS για να τους πει πού να κοιτάξουν.

«Εκπλήσσομαι με το πόσο χρήσιμο ήταν το IRAS και το NuSTAR σε αυτό το έργο, ειδικά παρά το γεγονός ότι το IRAS λειτούργησε πριν από 40 και πλέον χρόνια», δήλωσε ο επικεφαλής της μελέτης Peter Boorman, αστροφυσικός στο Caltech στην Πασαντίνα της Καλιφόρνια. «Νομίζω ότι αυτό δείχνει την αξία των αρχείων των παλαιών τηλεσκοπίων και το όφελος της κοινής χρήσης πολλαπλών οργάνων και μηκών κύματος φωτός».

Κατανόηση της ανάπτυξης και του αντίκτυπου των μαύρων τρυπών

Σε αυτή την εννοιολογική εικόνα, μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα που περιβάλλεται από έναν πυρήνα αερίου και σκόνης απεικονίζεται σε τέσσερα διαφορετικά μήκη κύματος του φωτός. Το ορατό φως (πάνω δεξιά) και οι ακτίνες Χ χαμηλής ενέργειας (κάτω αριστερά) εμποδίζονται από τον πυρήνα- οι υπέρυθρες ακτίνες (πάνω αριστερά) σκεδάζονται και επανεκπέμπονται- και μερικές ακτίνες Χ υψηλής ενέργειας (κάτω δεξιά) μπορούν να διαπεράσουν τον πυρήνα. Πηγή: NASA/JPL-Caltech

Ο προσδιορισμός του αριθμού των κρυμμένων μαύρων τρυπών σε σχέση με εκείνες που δεν είναι, μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν πώς αυτές οι μαύρες τρύπες γίνονται τόσο μεγάλες. Αν μεγαλώνουν καταναλώνοντας υλικό, τότε ένας σημαντικός αριθμός μαύρων τρυπών θα πρέπει να περιβάλλεται από πυκνά νέφη και ενδεχομένως να είναι κρυμμένες. Ο Boorman και οι συν-συγγραφείς του λένε ότι η μελέτη τους υποστηρίζει αυτή την υπόθεση.

Οι μαύρες τρύπες επηρεάζουν επίσης τους γαλαξίες στους οποίους ζουν, κυρίως επηρεάζοντας τον τρόπο με τον οποίο αναπτύσσονται οι γαλαξίες. Αυτό συμβαίνει επειδή οι μαύρες τρύπες που περιβάλλονται από τεράστια νέφη αερίου και σκόνης μπορούν να καταναλώσουν τεράστιες ποσότητες υλικού, αλλά όχι άπειρες ποσότητες. Αν πέσει πάρα πολύ υλικό σε μια μαύρη τρύπα ταυτόχρονα, αυτή αρχίζει να το αποβάλλει προς τα έξω στον γαλαξία. Αυτό μπορεί να διασκορπίσει τα νέφη αερίων μέσα στον γαλαξία όπου σχηματίζονται αστέρια, επιβραδύνοντας το ρυθμό σχηματισμού αστέρων εκεί.

"Αν δεν είχαμε μαύρες τρύπες, οι γαλαξίες θα ήταν πολύ μεγαλύτεροι », δήλωσε ο Poshak Gandhi, καθηγητής αστροφυσικής στο Πανεπιστήμιο του Σαουθάμπτον στο Ηνωμένο Βασίλειο και συν-συγγραφέας της νέας μελέτης.

«Επομένως, αν δεν είχαμε μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στον Γαλαξία μας, θα μπορούσαν να υπάρχουν πολύ περισσότερα αστέρια στον ουρανό. Αυτό είναι μόνο ένα παράδειγμα για το πώς οι μαύρες τρύπες μπορούν να επηρεάσουν την εξέλιξη ενός γαλαξία», κατέληξε.