Επιστήμονες εντόπισαν τρεις μαύρες τρύπες σε τροχιά σύγκρουσης σε αρχαίο γαλαξία

Μια τριάδα από γιγάντιες μαύρες τρύπες έχει παγιδευτεί σε έναν «χορό θανάτου», ο οποίος είναι πολύ πιθανό να οδηγήσει σταδιακά στη συγχώνευσή τους και στη δημιουργία ενός ακόμη μεγαλύτερου κοσμικού «τέρατος».

Οι επιστήμονες εντόπισαν τις μαύρες τρύπες σε έναν γαλαξία τόσο μακρινό, ώστε το φως του χρειάστηκε 12,5 δισεκατομμύρια χρόνια για να φτάσει μέχρι εμάς. Αυτό σημαίνει ότι τον παρατηρούμε όπως ήταν λιγότερο από 1,3 δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Η ανακάλυψη προσφέρει ισχυρές ενδείξεις ότι ένας από τους τρόπους με τους οποίους οι μαύρες τρύπες κατάφεραν να αποκτήσουν τόσο τεράστιες μάζες τόσο γρήγορα στο πρώιμο Σύμπαν ήταν μέσω διαδοχικών συγχωνεύσεων.

«Αυτή είναι η πρώτη ένδειξη για την ύπαρξη τριών ενεργών μαύρων τρυπών μέσα στον ίδιο γαλαξία στο μακρινό Σύμπαν», δήλωσε η Χάνα Ύμπλερ, αστρονόμος στο Ινστιτούτο Εξωγήινης Φυσικής Μαξ Πλανκ στη Γερμανία και επικεφαλής της μελέτης.

«Αυτό υποδηλώνει ότι οι διαδικασίες στο πρώιμο Σύμπαν ήταν ιδιαίτερα αποτελεσματικές στο να φέρνουν κοντά τεράστιες μαύρες τρύπες, δημιουργώντας τις προϋποθέσεις για τις συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών μεγάλης μάζας που αναμένουμε να ανιχνεύσουμε στο μέλλον με παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων», πρόσθεσε.

Ο γαλαξίας που φιλοξενεί τις τρεις μαύρες τρύπες έχει καταγραφεί με την ονομασία J0148-4214 και βρίσκεται σε τόσο μεγάλη απόσταση — με ερυθρή μετατόπιση 5,0167 — ώστε το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST), το οποίο έκανε την ανακάλυψη, δεν μπορούσε να δει απευθείας τις ίδιες τις μαύρες τρύπες.

Αντ’ αυτού, η μονάδα ολοκληρωμένου πεδίου φασματοσκοπίας του οργάνου NIRSpec του JWST μέτρησε την κίνηση αερίου υδρογόνου, το οποίο περιστρέφεται με πολύ υψηλές ταχύτητες μέσα στους δίσκους προσαύξησης που περιβάλλουν καθεμία από τις μαύρες τρύπες.

«Τα δεδομένα του JWST μάς επέτρεψαν όχι μόνο να εντοπίσουμε τις τρεις μαύρες τρύπες, αλλά και να εκτιμήσουμε τις μάζες τους, τους ρυθμούς με τους οποίους συσσωρεύουν ύλη, καθώς και τη συνολική αστρική μάζα του γαλαξία», δήλωσε ο Τζοβάνι Ματσολάρι, επίσης από το Ινστιτούτο Εξωγήινης Φυσικής Μαξ Πλανκ.

«Υπολογίζουμε ότι η συνολική αστρική μάζα του γαλαξία αντιστοιχεί περίπου σε 1,3 δισεκατομμύρια Ήλιους, ενώ οι μαύρες τρύπες αντιπροσωπεύουν ένα σημαντικό ποσοστό αυτής της μάζας», πρόσθεσε.

Δύο από τις μαύρες τρύπες βρίσκονται στο κέντρο του γαλαξία J0148-4214 και απέχουν μεταξύ τους περίπου 620 έτη φωτός. Η μία έχει τεράστια μάζα, περίπου 80 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από εκείνη του Ήλιου, ενώ η «σύντροφός» της είναι πολύ μικρότερη, με μάζα περίπου 600.000 ηλιακών μαζών.

Παρά το μικρότερο μέγεθός της, όμως, η δεύτερη μαύρη τρύπα αναπτύσσεται με εντυπωσιακό ρυθμό, απορροφώντας αέριο ταχύτερα από το λεγόμενο όριο Eddington. Πρόκειται για το θεωρητικό ανώτατο όριο με το οποίο μπορεί να πέφτει ύλη προς μια μαύρη τρύπα. Αν ο ρυθμός είναι υψηλότερος, ο δίσκος προσαύξησης γύρω από τη μαύρη τρύπα γίνεται τόσο πυκνός και θερμός, ώστε η ακτινοβολία του εκτοξεύει μέρος της ύλης προς τα έξω, περιορίζοντας έτσι την περαιτέρω «τροφοδοσία» της.

Αυτό σημαίνει ότι η μικρότερη μαύρη τρύπα θα μπορέσει να συνεχίσει να μεγαλώνει με αυτόν τον ρυθμό μόνο για σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα, προτού οι μηχανισμοί ανάδρασης επιβραδύνουν την ανάπτυξή της.

Η τρίτη μαύρη τρύπα βρίσκεται περίπου 5.500 έτη φωτός μακριά από το κέντρο του J0148-4214 και έχει μάζα περίπου δύο εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από εκείνη του Ήλιου. Η μάζα της αντιστοιχεί περίπου στο μισό της μάζας της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας που βρίσκεται στο κέντρο του δικού μας Γαλαξία, του Τοξότη A*.

Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι αυτή η τρίτη μαύρη τρύπα — και πιθανότατα και η δεύτερη — κατέληξαν στον J0148-4214 μέσα από συγχωνεύσεις γαλαξιών.

«Τα αποτελέσματα αυτά είναι εξαιρετικά συναρπαστικά», δήλωσε ο Ρομπέρτο Μαϊολίνο από το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, ο οποίος συμμετείχε στην έρευνα. «Υποδηλώνουν ότι οι συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών ενδέχεται να αποτελούν έναν επιπλέον και ιδιαίτερα γρήγορο μηχανισμό για την ταχεία ανάπτυξή τους στο πρώιμο Σύμπαν».

Οι συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών παράγουν ισχυρά κύματα βαρυτικών κυμάτων. Οι σημερινοί ανιχνευτές —μεταξύ των οποίων το LIGO στις Ηνωμένες Πολιτείες, το Virgo στην Ιταλία και το KAGRA στην Ιαπωνία— μπορούν να εντοπίσουν τα βαρυτικά κύματα υψηλής συχνότητας και μικρού μήκους κύματος που προκύπτουν από συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών αστρικής μάζας, δηλαδή εκείνων που σχηματίζονται έπειτα από ορισμένες εκρήξεις σουπερνόβα.

Για να ανιχνευθούν όμως τα βαρυτικά κύματα πολύ μεγαλύτερου μήκους κύματος και χαμηλότερης συχνότητας που παράγονται από τη συγχώνευση υπερμεγέθων μαύρων τρυπών, όπως εκείνων στον J0148-4214, απαιτείται ένας διαστημικός ανιχνευτής με αποστάσεις μέτρησης εκατομμυρίων χιλιομέτρων.

Για τον σκοπό αυτό, ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος σχεδιάζει να εκτοξεύσει το LISA (Laser Interferometer Space Antenna), εφόσον όλα εξελιχθούν σύμφωνα με τον προγραμματισμό, στα μέσα της δεκαετίας του 2030.

Το LISA θα αποτελείται από τρία διαστημόπλοια σε τριγωνικό σχηματισμό, με κάθε πλευρά του τριγώνου να έχει μήκος περίπου 2,5 εκατομμύρια χιλιόμετρα. Τα τρία σκάφη θα ανταλλάσσουν μεταξύ τους ακτίνες λέιζερ και θα αναζητούν απειροελάχιστες μεταβολές στον χρόνο που απαιτείται για να διανύσει το φως την απόσταση ανάμεσά τους. Τέτοιες αποκλίσεις θα μπορούσαν να αποτελούν ένδειξη ότι ένα βαρυτικό κύμα μεγάλου μήκους κύματος πέρασε από την περιοχή.

Στην περίπτωση του J0148-4214, ωστόσο, υπάρχει μια σημαντική επιφύλαξη: η τρίτη μαύρη τρύπα ενδέχεται τελικά να μη βρίσκεται σε πορεία σύγκρουσης με τις άλλες δύο. Αντίθετα, μπορεί να απομακρύνεται από τον γαλαξία.

Πρόκειται ουσιαστικά για το κλασικό «πρόβλημα των τριών σωμάτων»: πώς αλληλεπιδρούν τρία αντικείμενα όταν κινούνται υπό την αμοιβαία βαρυτική τους επίδραση;

Οι δύο μικρότερες μαύρες τρύπες ενδέχεται να εισήλθαν στον J0148-4214 ως ένα δυαδικό ζεύγος. Καθώς στη συνέχεια πλησίασαν τη μαύρη τρύπα των 80 εκατομμυρίων ηλιακών μαζών, η μεγαλύτερη από αυτές θα μπορούσε να «αρπάξει» τη μαύρη τρύπα των 600.000 ηλιακών μαζών και, μέσω ανταλλαγής στροφορμής, να εκτινάξει εκείνη των δύο εκατομμυρίων ηλιακών μαζών μακριά με πολύ μεγάλη ταχύτητα.

Παρόμοιο φαινόμενο παρατηρείται και στον δικό μας Γαλαξία, με τα λεγόμενα άστρα υπερυψηλής ταχύτητας, τα οποία κινούνται με τεράστιες ταχύτητες προς τα έξω από τον Γαλαξία μας. Τα άστρα αυτά αποτελούσαν κάποτε μέρος ενός δυαδικού συστήματος που πλησίασε υπερβολικά τον Τοξότη A, τη μαύρη τρύπα στο κέντρο του Γαλαξία. Το ένα από τα δύο άστρα αιχμαλωτίστηκε από τη μαύρη τρύπα, ενώ το άλλο εκτινάχθηκε μακριά.

Προς το παρόν, οι επιστήμονες δεν έχουν τρόπο να μετρήσουν την κατεύθυνση κίνησης της τρίτης μαύρης τρύπας στον J0148-4214 και να επιβεβαιώσουν αν τελικά θα συγχωνευθεί με τις άλλες δύο ή αν θα διαφύγει από τον γαλαξία.

Αν πράγματι έχει διαφύγει, τότε θα μπορούσε ακόμη και σήμερα —12,5 δισεκατομμύρια χρόνια αργότερα— να περιπλανιέται μόνη και αόρατη στο διαγαλαξιακό διάστημα.

Διαβάστε επίσης