Διάστημα: Πόσο μεγάλες μπορούν να γίνουν οι μαύρες τρύπες;

Οι αστρονόμοι εντοπίζουν μια νέα κατηγορία γιγάντιων μαύρων τρυπών που επισκιάζουν ακόμη και τις υπερμεγέθεις οι οποίες βρίσκονται στο κέντρο των γαλαξιών. Μήπως υπάρχουν κάποιες ακόμα πιο τερατώδεις που κρύβονται εκεί έξω στο σκοτάδι του διαστήματος;

Στο κέντρο του γαλαξία μας ζει μια γιγαντιαία μαύρη τρύπα. Έχει το ίδιο πλάτος με τον Ήλιο μας, αλλά είναι εκατομμύρια φορές βαρύτερη. Η τεράστια βαρυτική της έλξη αναδεύει τη διαστρική σκόνη και το αέριο γύρω της.

Αυτή η υπερμεγέθης μαύρη τρύπα είναι η καρδιά του Γαλαξία μας που χτυπάει δυνατά, καθοδηγώντας τον σχηματισμό και την εξέλιξη του γαλαξία μας για ολόκληρη την ιστορία των 13 δισεκατομμυρίων ετών, συμβάλλοντας στην εμφάνιση ηλιακών συστημάτων όπως το δικό μας.

Περιστασιακά, ένα αστέρι περιπλανιέται πολύ κοντά και διαλύεται, σβήνοντας χωρίς να αφήνει ίχνος προηγούμενης ύπαρξής του. Είναι ένα τρομακτικό θηρίο, με τη δύναμη να δημιουργεί και να καταστρέφει σε επική κλίμακα.

Σχεδόν κάθε μεγάλος γαλαξίας έχει μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στο κέντρο του, αλλά στο μεγάλο σύστημα του Σύμπαντος, ο δικός μας -που ονομάζεται Τοξότης Α*- είναι ένα πραγματικό φτερό.

Την τελευταία δεκαετία, οι αστρονόμοι έχουν ανακαλύψει μαύρες τρύπες πολύ, πολύ μεγαλύτερες, γνωστές ως υπερμαζικές μαύρες τρύπες. Ορισμένες είναι 1.000 φορές πιο ογκώδεις από την Sagittarius A* και αρκετά μεγάλες ώστε να καλύπτουν όλο το πλάτος του ηλιακού μας συστήματος.

Η απαράμιλλη θέα που προσφέρει το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) μας δίνει επίσης μια νέα εικόνα για το πώς αυτά τα μεγαθήρια μεγάλωσαν στην αυγή του χρόνου. Αλλά υπάρχουν εξίσου πολλά μυστήρια -από πού προήλθαν και πόσο μεγάλα μπορούν πραγματικά να γίνουν;

Η μέτρηση του μεγέθους τέτοιων τεράστιων και μακρινών αντικειμένων (τα οποία εξ ορισμού δεν μπορούν να παρατηρηθούν άμεσα) είναι δύσκολη, αλλά γνωρίζουμε ότι ορισμένα από τα μεγαλύτερα είναι εκπληκτικά μεγάλα.

Ένα από τα μεγαλύτερα που έχουν ανακαλυφθεί μέχρι σήμερα, γνωστό ως Ton 618, βρίσκεται να κρύβεται στη μέση ενός κβάζαρ σε απόσταση περίπου 18 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη.

Εκτιμάται ότι έχει 66 δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου και είναι έως και 40 φορές ευρύτερο από την απόσταση μεταξύ του Ποσειδώνα και του Ήλιου μας.

Η μαύρη τρύπα στο κέντρο ενός σμήνους γαλαξιών που ονομάζεται Holm 15A εκτιμήθηκε επίσης πρόσφατα ότι είναι περίπου 44 δισεκατομμύρια φορές βαρύτερη από τον Ήλιο, 30 φορές μεγαλύτερη από την απόσταση Ποσειδώνα-Ήλιου

Αυτές είναι αναμφισβήτητα τεράστιες. Αλλά ορισμένοι επιστήμονες πιστεύουν ότι μπορεί να υπάρχουν ακόμη μεγαλύτερα «τέρατα» που παραμονεύουν εκεί έξω.

«Από θεωρητική άποψη, δεν υπάρχει όριο», λέει ο James Nightingale, κοσμολόγος παρατήρησης στο Πανεπιστήμιο του Newcastle στο Ηνωμένο Βασίλειο, ο οποίος τον Μάρτιο του 2024 ανακάλυψε μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα που ζύγιζε 33 δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου.

Οι μαύρες τρύπες που γνωρίζουμε υπάρχουν σε διάφορα μεγέθη. Στο μικρότερο μέγεθος τους, οι μικροσκοπικές μαύρες τρύπες μπορεί να φτάνουν μέχρι το μέγεθος ενός ατόμου. Ίσως πιο γνωστές είναι οι αστρικής μάζας μαύρες τρύπες, αποτέλεσμα της κατάρρευσης πολύ μεγάλων αστέρων.

Αυτές κυμαίνονται από περίπου τρεις έως 50 φορές τη μάζα του Ήλιου μας, αλλά συμπυκνώνονται σε ένα αντικείμενο «περίπου στο μέγεθος του Λονδίνου», λέει η Julie Hlavacek-Larrondo, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μόντρεαλ στον Καναδά.

Οι μαύρες τρύπες ενδιάμεσης μάζας αποτελούν την επόμενη ομάδα και φτάνουν μέχρι περίπου 50.000 φορές τη μάζα του Ήλιου μας, καλύπτοντας μια περιοχή του διαστήματος περίπου στο μέγεθος του πλανήτη Δία. Στη συνέχεια, οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες εκτείνονται μέχρι να έχουν μάζα εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου μας.

Αν και δεν υπάρχει ακόμη αυστηρός ορισμός μιας υπερμεγέθους μαύρης τρύπας, είναι γενικά αποδεκτό ότι ξεκινούν από «10 δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου», λέει ο Hlavacek-Larrondo.

Αν και κατ’ αρχήν δεν υπάρχει κανένας λόγος που μια μαύρη τρύπα δεν μπορεί να φτάσει σε αυτό το μέγεθος, η ύπαρξή τους είναι απροσδόκητη, δεδομένου του τρόπου με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε σήμερα ότι οι μαύρες τρύπες μεγαλώνουν και της σχετικά νεαρής ηλικίας του Σύμπαντος που είναι μόλις 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια.

«Είναι δύσκολο να δημιουργηθεί μια τόσο μεγάλη μαύρη τρύπα χρησιμοποιώντας τις παραδοσιακές μεθόδους τροφοδοσίας», λέει ο Hlavacek-Larrondo, αναφερόμενος στον τρόπο με τον οποίο οι μαύρες τρύπες προσλαμβάνουν υλικό από τον περίγυρό τους λόγω της βαρυτικής τους έλξης. «Δεν νομίζω ότι οι άνθρωποι περίμεναν ότι θα υπήρχαν».

Αν συνεχίσετε να ταΐζετε μια μαύρη τρύπα, κατ’ αρχήν αυτή θα πρέπει να συνεχίζει να μεγαλώνει και να μεγαλώνει επ’ άπειρον, με οποιοδήποτε αντικείμενο ή υλικό που διασχίζει τον ορίζοντα προκαλώντας αύξηση της μάζας της μαύρης τρύπας.

Στην πράξη, η ηλικία του Σύμπαντος και ο ρυθμός με τον οποίο πιστεύουμε ότι οι μαύρες τρύπες αναπτύσσονται, θα πρέπει να περιορίζουν το μέγεθός τους, το οποίο πιθανότατα δεν θα υπερβαίνει τα 270 δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες στην παρούσα χρονική στιγμή.

Ορισμένοι επιστήμονες, ωστόσο, θεωρούν ότι είναι πιθανό κάποιες μαύρες τρύπες να έχουν μεγαλώσει πολύ περισσότερο, φτάνοντας τα τρισεκατομμύρια ηλιακές μάζες στο σύγχρονο Σύμπαν, αν ήταν σε θέση να καταναλώσουν υλικό γρηγορότερα από το αναμενόμενο.

Αυτά τα αντικείμενα, στα οποία δόθηκε η ετικέτα «εκπληκτικά μεγάλες μαύρες τρύπες», θα είχαν ακτίνα περίπου ενός έτους φωτός. Δεν έχουν βρεθεί ακόμη τέτοια αντικείμενα, αλλά δεν μπορούμε ακόμη να αποκλείσουμε ότι κρύβονται στα κέντρα ορισμένων γαλαξιών.

Οι αστρονόμοι εντόπισαν τις πρώτες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στις αρχές της δεκαετίας του 2010.

Έκτοτε, έχουν βρεθεί περίπου 100. Τον Μάρτιο του 2023, ο Nightingale και οι συνάδελφοί του ανακοίνωσαν ότι εντόπισαν μια νέα υπερμεγέθη μαύρη τρύπα που ζύγιζε περίπου 33 δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες.

Μπόρεσαν να τη δουν μόνο λόγω του τρόπου με τον οποίο το φως από έναν πιο μακρινό γαλαξία κάμπτεται γύρω από τη μαύρη τρύπα. «Αυτή ήταν μια πολύ τυχαία ανακάλυψη», λέει ο Nightingale.

Δεν μπορούμε να δούμε άμεσα τις μαύρες τρύπες λόγω της ίδιας τους της φύσης -στα όριά τους, γνωστά ως ορίζοντας γεγονότων, η βαρύτητα γίνεται τόσο έντονη που τίποτα δεν μπορεί να διαφύγει, ούτε καν το φως. Έτσι, μπορούμε να τις δούμε μόνο αν ρίχνουν σκιά στο γύρω φωτεινό υλικό που τρώγεται από τη μαύρη τρύπα.

Ωστόσο, μπορούμε να συμπεράνουμε την ύπαρξή τους πιο εύκολα, κοιτάζοντας έναν γαλαξία και παρατηρώντας τις επιδράσεις της κεντρικής μαύρης τρύπας. Ένας τρόπος είναι να ψάξουμε για ισχυρούς πίδακες που εκτοξεύονται από τους πόλους της μαύρης τρύπας.

«Ακόμα δεν καταλαβαίνουμε ακριβώς πώς μπορούν να σχηματίσουν αυτές τις δομές, αλλά το κάνουν», λέει ο Hlavacek-Larrondo. Αυτοί οι ραδιοφωνικοί πίδακες μπορεί να εκτείνονται σε μήκος εκατομμυρίων ετών φωτός.

Οι μαύρες τρύπες μπορούν επίσης να δημιουργήσουν καυτούς δακτυλίους ύλης που στροβιλίζονται γύρω τους, οι οποίοι ονομάζονται δίσκοι προσαύξησης, καθώς καταναλώνουν υλικό. Η ύλη περιστρέφεται γρήγορα γύρω από τη μαύρη τρύπα, με την τεράστια βαρύτητα να την κάνει να περιστρέφεται «περίπου με την ταχύτητα του φωτός», λέει ο Hlavacek-Larrondo.

Καθώς πέφτει προς τη μαύρη τρύπα, ο δίσκος του υλικού εκπέμπει επίσης φωτεινές ακτίνες Χ. Όσο μεγαλύτερη είναι η μαύρη τρύπα, τόσο περισσότερες ακτίνες Χ και ραδιοκύματα παράγονται από τον δίσκο προσαύξησης και τον πίδακα αντίστοιχα.

Η φυσική μεταξύ υπερμεγέθων και μικρότερων μαύρων τρυπών είναι σε μεγάλο βαθμό η ίδια -αν ξεπεράσεις τον ορίζοντα γεγονότων δεν υπάρχει διαφυγή. Μια μεγαλύτερη μάζα οδηγεί σε μεγαλύτερη ακτίνα για τον ορίζοντα γεγονότων. Όμως οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες έχουν μια ενδιαφέρουσα ιδιότητα λόγω του μεγέθους τους.

Αν είχατε την ατυχία να πέσετε μέσα σε μια αστρικής μάζας μαύρη τρύπα, θα βιώνατε κάτι που είναι γνωστό ως σπαγγέτιση -το σώμα σας θα τεντωνόταν στο άπειρο- λόγω της διαφοράς βαρύτητας μεταξύ των ποδιών και του κεφαλιού σας.

Σε μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα, ωστόσο, η βαρυτική κλίση είναι πολύ λιγότερο απότομη, επειδή εκτείνεται πολύ πιο μακριά στο διάστημα, σε σημείο που μετά βίας θα παρατηρούσατε ότι πέφτετε πέρα από τον ορίζοντα γεγονότων.

«Δεν θα συνέβαινε σπαγγέτιση», λέει ο Nightingale. Το μόνο πράγμα που θα πρόδιδε τη μοίρα σας θα ήταν η παραμόρφωση του αστρικού φωτός γύρω σας λόγω της βαρύτητας της μαύρης τρύπας.

Χάρη στη δύναμη του JWST, οι αστρονόμοι παρατηρούν πλέον όλο και πιο μακριά, και έτσι πιο πίσω στο χρόνο, λόγω του χρόνου που χρειάζεται το φως για να φτάσει σε εμάς από τις μακρινές γωνιές του Σύμπαντος. Αυτό τους επιτρέπει να δουν γαλαξίες στα πρώτα εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια της ύπαρξης του Σύμπαντος.

Για να μπορέσουν τόσο μακρινές μαύρες τρύπες να μεγαλώσουν τόσο πολύ, πρέπει να γεννήθηκαν σχετικά νωρίς στην ιστορία του Σύμπαντος και στη συνέχεια να καταβρόχθισαν άγρια ύλη, κάτι που αψηφά πολλά από όσα γνωρίζουμε για τα όρια του τρόπου δημιουργίας των μαύρων τρυπών. Ωστόσο, οι αστρονόμοι αρχίζουν να βλέπουν ενδείξεις για αυτό ακριβώς.

Μακριά σε μερικές από τις αρχαιότερες περιοχές του Σύμπαντος που μπορούμε να παρατηρήσουμε, αποκαλύπτονται από το JWST προηγουμένως αθέατοι τύποι γαλαξιών. Οι επιστήμονες ανακάλυψαν εκατοντάδες παράξενους, συμπαγείς γαλαξίες, οι οποίοι λάμπουν πολύ πιο έντονα από ό,τι θα περίμενε κανείς, οι οποίοι υπήρχαν περίπου 600 εκατομμύρια χρόνια έως ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Έχουν γίνει γνωστοί ως γαλαξίες με μικρή κόκκινη κουκκίδα λόγω του χρώματος και του μεγέθους τους. Αυτό που προκαλεί ιδιαίτερη έκπληξη σε αυτούς είναι το φως που εκπέμπουν, το οποίο φαίνεται να υποδεικνύει ότι μέσα τους κρύβονται ήδη υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.

Οι παρατηρήσεις αυτές υποδηλώνουν ότι οι μαύρες τρύπες όντως μεγάλωναν γρήγορα. Στο τοπικό μας σύμπαν, οι μεγάλες μαύρες τρύπες στα κέντρα των γαλαξιών τείνουν να είναι περίπου 1.000 φορές μικρότερες από τον γαλαξία που τις φιλοξενεί.

Αλλά το JWST βρίσκει μαύρες τρύπες που έχουν το ίδιο μέγεθος με τον δικό τους γαλαξία ακριβώς στην αυγή του Σύμπαντος, γεγονός που υποδηλώνει ότι οι μαύρες τρύπες μπορεί να σχηματίστηκαν πρώτες πριν οι γαλαξίες αναπτυχθούν γύρω τους.

Σε σύγκριση με το τοπικό σύμπαν, αυτές οι μάζες είναι «δεκάδες έως μερικές εκατοντάδες» φορές μεγαλύτερες από ό,τι θα περιμέναμε, λέει η Hannah Übler, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ στο Ηνωμένο Βασίλειο. Οι αστρονόμοι αναφέρονται σε αυτούς τους πρώιμους τιτάνες ως «υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες».

Είναι «πραγματικά εκπληκτικό και θέτει πραγματικά μια πρόκληση στα θεωρητικά μοντέλα για να εξηγήσουν πώς αυτές οι μαύρες τρύπες κατάφεραν να γίνουν τόσο μεγάλες τόσο γρήγορα», λέει η Übler, η οποία χρησιμοποίησε το JWST για να παρατηρήσει αυτές τις πρώιμες μαύρες τρύπες.

Το πώς αυτές οι μαύρες τρύπες μεγάλωσαν τόσο γρήγορα είναι ένα μικρό μυστήριο και πιθανώς σχετίζεται με το πώς σχηματίστηκαν οι μαύρες τρύπες κατά κύριο λόγο στο πρώιμο σύμπαν. Μια ιδέα είναι ότι σχηματίστηκαν από το θάνατο των πρώτων άστρων στο σύμπαν, των λεγόμενων άστρων πληθυσμού ΙΙΙ – τεράτων που είχαν μάζα 100 έως 1.000 φορές μεγαλύτερη από τον Ήλιο μας και αποτελούνταν σχεδόν εξ ολοκλήρου από ήλιο και υδρογόνο.

Οι υπερκαινοφανείς εκρήξεις -μια κολοσσιαία αστρική έκρηξη- αυτών των άστρων στα τελευταία στάδια της ζωής τους απελευθέρωσαν βαρύτερα στοιχεία στο Σύμπαν. Αυτά αργότερα θα δημιουργούσαν άλλα αστέρια και τελικά πλανήτες, συμπεριλαμβανομένου του Ήλιου και της Γης μας. Αλλά ο θάνατός τους θα μπορούσε επίσης να έχει δημιουργήσει μεγάλες μαύρες τρύπες, καθώς το υλικό κατέρρευσε προς τα μέσα υπό την επίδραση της βαρύτητας.

«Οι μαύρες τρύπες από αυτά τα αστέρια είναι πιο ογκώδεις από τις μαύρες τρύπες αστρικής μάζας», λέει ο Mar Mezcua, αστροφυσικός στο Ινστιτούτο Διαστημικών Επιστημών στην Ισπανία. «Από αυτό, μπορούν να μεγαλώσουν και έχουν περισσότερες πιθανότητες να γίνουν υπερμεγέθεις σε σύντομο χρονικό διάστημα».

Μια άλλη επικρατέστερη πιθανότητα είναι ότι οι πρώτες μαύρες τρύπες σχηματίστηκαν κυρίως όχι από αστέρια αλλά από νέφη αερίου, γνωστές ως μαύρες τρύπες άμεσης κατάρρευσης. Συνήθως, αυτά τα νέφη θα σχημάτιζαν αστέρια καθώς θα συμπυκνώνονταν υπό την επίδραση της βαρύτητας, αλλά αν η θερμοκρασία ήταν αρκετά υψηλή, ορισμένα νέφη μπορεί να μην σχημάτιζαν αστέρια αλλά να κατέρρεαν απευθείας σε μαύρες τρύπες.

«Αυτές είναι συνθήκες που δεν συναντάμε στο σημερινό σύμπαν», λέει ο Mezcua. Στις καυτές, ταραχώδεις συνθήκες του πρώιμου Σύμπαντος, ωστόσο, μπορεί να ήταν δυνατό, λέει.

Δεν έχουν παρατηρηθεί ακόμη οριστικά αστέρια πληθυσμού ΙΙΙ ή μαύρες τρύπες άμεσης κατάρρευσης, οπότε δεν είναι σαφές ποιος μηχανισμός -αν υπάρχει- κυριάρχησε στο σχηματισμό μαύρων οπών στο πρώιμο Σύμπαν.

Όπως κι αν σχηματίστηκαν αυτές οι μαύρες τρύπες, πρέπει να έχουν αναπτύξει έναν τρόπο να μεγαλώνουν σε μεγάλα μεγέθη αρκετά γρήγορα. Μια πιθανότητα είναι ότι δημιουργήθηκαν σε αφθονία και συγχωνεύτηκαν μεταξύ τους για να σχηματίσουν όλο και μεγαλύτερες μαύρες τρύπες, αρχικά ενδιάμεσης μάζας, στη συνέχεια υπερμεγέθεις, και στη συνέχεια, για ορισμένες, υπερμεγέθεις.

Αυτό θα υποστήριζε την ιδέα ότι προήλθαν από αστέρια του πληθυσμού ΙΙΙ, επειδή θα υπήρχαν περισσότερες από αυτές τις μαύρες τρύπες άμεσης κατάρρευσης. «Αν βρούμε σήμερα πολλές μαύρες τρύπες ενδιάμεσης μάζας, αυτό θα σήμαινε ότι σχηματίζονται μέσω μηχανισμών του πληθυσμού ΙΙΙ», λέει ο Mezcua.

Αν οι αστρονόμοι βρουν λίγες μαύρες τρύπες ενδιάμεσης μάζας, σε μέρη όπως οι μικρότεροι γαλαξίες νάνοι, όπου θα αναμενόταν να προκύψουν, αυτό θα μπορούσε να υποστηρίξει την ιδέα της άμεσης κατάρρευσης των μαύρων οπών, λέει ο Mezcua.

Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες θα μπορούσαν επίσης να έχουν αναπτυχθεί γρήγορα καταναλώνοντας γρήγορα υλικό σε εκρήξεις, κάτι για το οποίο το JWST έχει δει ενδείξεις.

Οι αστρονόμοι έχουν παρατηρήσει μερικούς πρώιμους γαλαξίες που είναι φωτεινοί και ενεργοί, αλλά και άλλους με μια μεγάλη μαύρη τρύπα που φαίνεται να είναι αδρανής, γεγονός που υποδηλώνει ότι η τελευταία πρέπει να έχει ήδη καταναλώσει πολύ υλικό πριν πέσει σε λήθαργο.

«Δεν ξέρουμε για πόσο καιρό θα διαρκούσε ο κύκλος», λέει η Hlavacek-Larrondo. Οι περίοδοι ταχείας κατανάλωσης, ωστόσο, είναι πιθανό να είναι σπάνιες, λέει. «Ίσως το 1% της διάρκειας ζωής της μαύρης τρύπας».

Αυτό που παραμένει ασαφές είναι πόσο ακριβώς μεγάλες μπορεί να είναι οι μαύρες τρύπες στο σύγχρονο σύμπαν. «Έχουμε αυτή την πρόχειρη εκτίμηση με βάση την ηλικία του Σύμπαντος», λέει ο Hlavacek-Larrondo, για περίπου 270 δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες. «Αλλά ίσως το Σύμπαν να μας εκπλήξει».

• διάστημα
• Ήλιος
• μαύρη τρύπα