του Παντελή Πνιγούρα*
Κάτι που μέχρι τις 10 Απρίλη 2019 λογιζόταν ως επιστημονική φαντασία, αποτελεί πλέον πραγματικότητα: η πρώτη φωτογραφία μιας μαύρης τρύπας είναι γεγονός. Φως από τον γαλαξία Μ87, έπειτα από ένα ταξίδι 55 εκατομμυρίων ετών στο διάστημα, έμελλε για πρώτη φορά να διαγράψει στα φιλμ των αστρονόμων τη σιλουέτα, ή τη σκιά όπως λέγεται, της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας στο κέντρο του κοντινού μας γαλαξία.
Οι μαύρες τρύπες αποτελούν πρόβλεψη της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν ήδη από το 1916. Πρόκειται για υπέρπυκνες συγκεντρώσεις ύλης και συνιστούν απομεινάρια αστέρων πολύ μεγάλης μάζας (δεκάδες φορές μεγαλύτερης από τη μάζα του Ήλιου). Εξαντλώντας τα αποθέματα ενέργειάς τους, οι αστέρες αυτοί εκτινάσσουν τα εξωτερικά τους στρώματα σε μια θεαματική έκρηξη σουπερνόβα, αφήνοντας πίσω τους έναν ανενεργό πυρήνα. Η βαρύτητα, που μέχρι πρότινος αντισταθμιζόταν από τη συνεχή παραγωγή ενέργειας στο εσωτερικό του πυρήνα, είναι τόσο ισχυρή που οδηγεί στην πλήρη κατάρρευση του αστέρα, κυριολεκτικά κάτω από το ίδιο του το βάρος. Το τελικό αποτέλεσμα είναι μία «τρύπα» στον χώρο (και στον χρόνο!), από την οποία δεν μπορεί να διαφύγει ούτε το ίδιο το φως –γι’ αυτό άλλωστε ονομάζεται και μαύρη.
Σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας, η βαρύτητα ερμηνεύεται ως η καμπύλωση του χώρου και του χρόνου γύρω από μεγάλες συγκεντρώσεις ύλης, όπως τα αστέρια ή, εν προκειμένω, οι μαύρες τρύπες. Όπως ένα τεντωμένο επίπεδο σεντόνι καμπυλώνει εάν τοποθετήσουμε κάποιο βαρύ αντικείμενο στο κέντρο του, έτσι είναι καμπυλωμένος και ο χώρος γύρω από έναν αστέρα, έλκοντας έτσι άλλα γειτονικά σώματα (π.χ., πλανήτες). Από τον καμπυλωμένο χώρο στον περίγυρο μιας μαύρης τρύπας δε γλιτώνει ούτε το φως, που διαδίδεται ταχύτερα από οτιδήποτε άλλο γνωρίζουμε. Μακριά από τη μαύρη τρύπα, μία ακτίνα φωτός διαδίδεται ευθύγραμμα στο επίπεδο σεντόνι του χώρου. Όσο πλησιάζει όμως, η τροχιά του φωτός καμπυλώνεται όλο και περισσότερο, αφού πλέον ακολουθεί το παραμορφωμένο σεντόνι του χώρου γύρω από τη μαύρη τρύπα.
Το αποτέλεσμα αυτού του φαινομένου είναι εντυπωσιακό, καθώς, λόγω της τεράστιας καμπύλωσης της τροχιάς του, μπορούμε να δούμε φως που εκπέμπεται πίσω από τη μαύρη τρύπα! Φως το οποίο τυχαίνει να διαδίδεται σε κατεύθυνση τέτοια ώστε οριακά να ξεφεύγει από τη βαρυτική επίδραση της μαύρης τρύπας γίνεται ορατό ως ένα φωτεινό δαχτυλίδι γύρω της. Συγκεκριμένα, το φως αυτό περιβάλλει τον λεγόμενο «ορίζοντα γεγονότων» της μαύρης τρύπας, δηλαδή της νοητής σφαίρας μέσα από την οποία δεν μπορεί να ξεφύγει τίποτα, συμπεριλαμβανομένου του φωτός. Έτσι, χάρη σε αυτό το φως, μπορούμε να δούμε τη σκιά της μαύρης τρύπας, κάτι που επιβεβαιώθηκε πανηγυρικά με τη δημοσίευση της πρώτης σχετικής φωτογραφίας.
Προκειμένου να τραβηχτεί μια τέτοια φωτογραφία, χρειαζόμαστε αρχικά μια μεγάλη μαύρη τρύπα. Λόγω των τεράστιων αποστάσεων στο σύμπαν, ακόμα και οι κοντινότεροι γαλαξίες φαίνονται μικροσκοπικοί από τη Γη, καθιστώντας ακόμα δυσκολότερη την παρατήρηση σωμάτων μικρότερης κλίμακας. Για τον λόγο αυτό, επιλέχθηκε η κοντινότερη υπερμεγέθης μαύρη τρύπα, αυτή στο κέντρο του γειτονικού ελλειπτικού γαλαξία Μ87. Σε αντιδιαστολή με τις συνήθεις μαύρες τρύπες, οι οποίες έχουν μάζες το πολύ μερικές δεκάδες φορές μεγαλύτερες από του Ήλιου, οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες βρίσκονται στα κέντρα των γαλαξιών και έχουν μάζες εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερες από του Ήλιου. Οι λόγοι για τους οποίους είναι τόσο μεγάλες αποτελούν ακόμα ενεργό πεδίο έρευνας.
Αν και η μαύρη τρύπα που επιλέχθηκε να φωτογραφηθεί είναι πελώρια (6,5 δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου, με διάμετρο όσο όλο το ηλιακό μας σύστημα), υπάρχει και ένα ακόμα αντικειμενικό πρόβλημα. Δεν υπάρχει τηλεσκόπιο στη Γη που να μπορεί να επιτύχει την επιθυμητή μεγέθυνση, ώστε να καταστήσει εμφανώς διακριτό το είδωλο της μαύρης τρύπας. Δεδομένου ότι η παρατήρηση γίνεται με ραδιοκύματα, δηλαδή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία χαμηλών συχνοτήτων, για να επιτευχθεί η κατάλληλη διακριτική ικανότητα χρειαζόμαστε ένα ραδιοτηλεσκόπιο του οποίου η παραβολοειδής κεραία (το «πιάτο») έχει διάμετρο όση ολόκληρη η Γη! Αυτό προφανώς είναι αδύνατο, όμως μπορεί να υλοποιηθεί έμμεσα. Εφαρμόζοντας μία τεχνική που ονομάζεται «συμβολομετρία μεγάλης βάσης», οι αστρονόμοι μπορούν να χρησιμοποιούν ταυτόχρονα πολλά ραδιοτηλεσκόπια σε όλη τη Γη με τέτοιον τρόπο ώστε, συνδυάζοντας τις παρατηρήσεις των επιμέρους τηλεσκοπίων, να ισοδυναμούν με ένα ραδιοτηλεσκόπιο στο μέγεθος της Γης.
Τα συλλεχθέντα παρατηρησιακά δεδομένα απαιτούν πολύ μεγάλη ακρίβεια στην καταγραφή τους, ούτως ώστε να συνδυαστούν σωστά μεταξύ τους. Κάθε τηλεσκόπιο έχει στη διάθεσή του ατομικά ρολόγια, επιτρέποντας έτσι τον ακριβή προσδιορισμό του χρόνου παρατήρησης, καθώς και τελευταίας τεχνολογίας οπτικά και υπολογιστικά συστήματα για την ηλεκτρονική καταγραφή των δεδομένων. Από όταν ξεκίνησαν οι παρατηρήσεις, τον Απρίλη του 2017, συλλέχθηκαν συνολικά 5 πεταμπάιτ (5 εκατομμύρια γιγαμπάιτ) δεδομένων. Πρόκειται για τόσο μεγάλη ποσότητα δεδομένων που, προκειμένου να συλλεχθούν κεντρικά και να επεξεργαστούν, ήταν προτιμότερο να αποσταλούν αεροπορικώς (συνολικά μισός τόνος σκληροί δίσκοι) παρά μέσω διαδικτύου.
Η πολυπόθητη φωτογραφία, για την οποία συνεργάστηκαν εκατοντάδες επιστήμονες σε περισσότερες από είκοσι χώρες, συνιστά την πιο απτή μέχρι σήμερα απόδειξη για την ύπαρξη των μαύρων τρυπών. Σε συνδυασμό με παρατηρήσεις σε άλλες συχνότητες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, οι επιστήμονες μπορούν να πουν με βεβαιότητα πως το αντικείμενο που βρίσκεται στο κέντρο του γαλαξία Μ87 είναι μια μαύρη τρύπα, με τη μορφή που προβλέπει η γενική θεωρία της σχετικότητας. Το μέγεθος και το σχήμα της είναι απολύτως συμβατά με την πρόβλεψη της θεωρίας του Αϊνστάιν, περνώντας με επιτυχία έναν ακόμα πειραματικό έλεγχο. Επίσης, η μάζα της, όπως υπολογίστηκε με βάση τις συγκεκριμένες παρατηρήσεις, συμφωνεί σε μεγάλο βαθμό με τους υπολογισμούς άλλων παρατηρήσεων, οι οποίες συνάγουν τη μάζα της μαύρης τρύπας μελετώντας τις κινήσεις των αστέρων γύρω της. Επιπλέον, μπορούμε πια με βεβαιότητα να ισχυριστούμε ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες είναι υπεύθυνες για τους πίδακες ύλης και ενέργειας που εκτοξεύονται από τα κέντρα ενεργών γαλαξιών, επηρεάζοντας σε μεγάλο βαθμό τη δυναμική και την εξέλιξή τους. Μελλοντικές παρατηρήσεις θα βοηθήσουν στην περαιτέρω κατανόηση των διεργασιών που οδηγούν στη δημιουργία τόσο μαζικών μαύρων τρυπών, καθώς και στη μελέτη της συμπεριφοράς της ύλης γύρω από πανίσχυρα βαρυτικά πεδία.
*Μεταδιδακτορικός ερευνητής
Πανεπιστήμιο του Σαουθάμπτον, Αγγλία