Οι μαύρες τρύπες είναι από τις πιο ενδιαφέρουσες και εντυπωσιακές δυνάμεις της φύσης. Είναι επίσης ένα από τα πιο μυστηριώδη λόγω του τρόπου με τον οποίο οι κανόνες της συμβατικής φυσικής καταρρέουν παρουσία τους. Παρά τις δεκαετίες έρευνας και παρατηρήσεων, υπάρχουν ακόμα πολλά που δεν γνωρίζουμε γι' αυτά. Μάλιστα, μέχρι πρόσφατα, οι αστρονόμοι δεν είχαν δει ποτέ ένα εικόνα της μαύρης τρύπας και δεν μπόρεσαν να μετρήσουν τη μάζα τους.
Ωστόσο, μια ομάδα φυσικών από το Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας (MIPT) ανακοίνωσε πρόσφατα ότι είχαν επινοήσει έναν τρόπο να έμμεσα μετρήστε τη μάζα μιας μαύρης τρύπας ενώ επιβεβαιώνει και την ύπαρξή του. Σε μια πρόσφατη μελέτη, έδειξαν πώς δοκίμασαν αυτή τη μέθοδο στην υπερμεγέθη μαύρη τρύπα που απεικονίστηκε πρόσφατα στο κέντρο της Μεσιέ 87 ενεργός γαλαξίας.
Η μελέτη εμφανίστηκε στο τεύχος Αυγούστου τουΜηνιαίες Ανακοινώσεις της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας. Εκτός από ερευνητές από το MIPT, η ομάδα περιελάμβανε μέλη από την Ολλανδία Κοινό Ινστιτούτο για VLBI ERIC (JIVE), το Academia Sinica’s Institute of Astronomy & Astrophysics στην Ταϊβάν και το NOAJ’s Παρατηρητήριο Mizusawa VLBI στην Ιαπωνία.
Αναπαράσταση καλλιτέχνη ενός ενεργού γαλαξιακού πυρήνα (AGN) στο κέντρο ενός γαλαξία. Πιστώσεις: NASA/CXC/M.Weiss
Για δεκαετίες, οι αστρονόμοι γνώριζαν ότι οι περισσότεροι τεράστιοι γαλαξίες έχουν α υπερμεγέθη μαύρη τρύπα (SMBH) στο κέντρο τους. Η παρουσία αυτού του SMBH οδηγεί σε σημαντική ποσότητα δραστηριότητας στον πυρήνα, όπου το αέριο και η σκόνη πέφτουν σε έναν δίσκο προσαύξησης και επιταχύνονται σε ταχύτητες που τους αναγκάζουν να εκπέμπουν φως, καθώς και ραδιόφωνο, μικροκύματα, ακτίνες Χ και γάμμα ακτινοβολία.
Για ορισμένους γαλαξίες, η ποσότητα της ακτινοβολίας που παράγεται από την περιοχή του πυρήνα είναι τόσο φωτεινή που στην πραγματικότητα υπερισχύει του φωτός που προέρχεται από όλα τα αστέρια στο δίσκο του μαζί. Αυτοί είναι γνωστοί ως γαλαξίες Active Galactic Nuclei (AGN), καθώς έχουν ενεργούς πυρήνες και άλλοι γαλαξίες είναι συγκριτικά «ήσυχοι». Ένα άλλο ενδεικτικό αναγνωριστικό ότι ένας γαλαξίας είναι ενεργός είναι οι μακριές δέσμες υπερθερμασμένης ύλης που εκτείνονται.
Αυτά τα ' σχετικιστικοί πίδακες ', τα οποία μπορούν να εκτείνονται για εκατομμύρια έτη φωτός προς τα έξω, ονομάζονται έτσι επειδή το υλικό σε αυτά επιταχύνεται σε ένα κλάσμα της ταχύτητας του φωτός. Ενώ αυτοί οι πίδακες δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητοί, η τρέχουσα συναίνεση είναι ότι παράγονται από ένα συγκεκριμένο «κινητήριο φαινόμενο» που προκαλείται από ένα ταχέως περιστρεφόμενο SMBH.
Ένα καλό παράδειγμα ενεργού γαλαξία με σχετικιστικό πίδακα είναι ο Messier 87 (γνωστός και ως Virgo A), ένας υπεργίγαντας γαλαξίας που βρίσκεται στην κατεύθυνση του Αστερισμού της Παρθένου. Αυτός ο γαλαξίας είναι ο πλησιέστερος ενεργός γαλαξίας στη Γη, και επομένως ένας από τους καλύτερα μελετημένους. Ανακαλύφθηκε αρχικά το 1781 από τον Charles Messier (ο οποίος το μπέρδεψε ως νεφέλωμα), έχει μελετηθεί σε τακτική βάση από τότε. Μέχρι το 1918, ο οπτικός πίδακας του έγινε ο πρώτος του είδους του που παρατηρήθηκε.
Χάρη στην εγγύτητά του, οι αστρονόμοι μπόρεσαν να μελετήσουν σχολαστικά τον πίδακα του Messier 87 – χαρτογραφώντας τη δομή και τις ταχύτητες πλάσματος και μετρώντας τις θερμοκρασίες και τις πυκνότητες σωματιδίων κοντά στο ρεύμα του πίδακα. Τα όρια του πίδακα έχουν μελετηθεί με λεπτομέρεια και οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι ήταν ομοιογενές κατά το μήκος του και άλλαζε σχήμα όσο πιο μακριά εκτεινόταν (μεταβαίνοντας από παραβολικό σε κωνικό).
Όλες αυτές οι παρατηρήσεις επέτρεψαν στους αστρονόμους να δοκιμάσουν υποθέσεις σχετικά με τη δομή των ενεργών γαλαξιών και τη σχέση μεταξύ των αλλαγών στο σχήμα του πίδακα και της επίδρασης της μαύρης τρύπας στον γαλαξιακό πυρήνα. Σε αυτή την περίπτωση, η διεθνής ερευνητική ομάδα εκμεταλλεύτηκε αυτή τη σχέση και για να καθορίσει τη μάζα του M87 SMBH.
Η ομάδα βασίστηκε επίσης σε θεωρητικά μοντέλα που προβλέπουν το σπάσιμο ενός πίδακα, το οποίο τους επέτρεψε να δημιουργήσουν ένα μοντέλο όπου η μάζα ενός SMBH θα αναπαράγει με ακρίβεια το παρατηρούμενο σχήμα του πίδακα M87. Μετρώντας το πλάτος του πίδακα και την απόσταση μεταξύ του πυρήνα και του σπασίματος του σχήματός του, διαπίστωσαν επίσης ότι το όριο του πίδακα M87 αποτελείται από δύο τμήματα με δύο διακριτές καμπύλες.
Στο τέλος, ο συνδυασμός θεωρητικών μοντέλων, παρατηρήσεων και υπολογισμών σε υπολογιστή επέτρεψε στην ομάδα να αποκτήσει μια έμμεση μέτρηση της μάζας και του ρυθμού περιστροφής της μαύρης τρύπας. Αυτή η μελέτη όχι μόνο παρέχει ένα νέο μοντέλο για την εκτίμηση της μαύρης τρύπας και ένα νέο μέσο μέτρησης για πίδακες, αλλά επίσης επιβεβαιώνει τις υποθέσεις που διέπουν τη δομή των πίδακες.
Η πρώτη άμεση οπτική απόδειξη της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας στο κέντρο του Messier 87 και της σκιάς της, ελήφθη από το EHT. Πίστωση: Συνεργασία EHT
Ουσιαστικά, τα αποτελέσματα της ομάδας περιγράφουν τον πίδακα ως ροή μαγνητισμένου ρευστού, όπου το σχήμα καθορίζεται από το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο σε αυτό. Αυτό, με τη σειρά του, εξαρτάται από πράγματα όπως η ταχύτητα και το φορτίο των σωματιδίων του πίδακα, το ηλεκτρικό ρεύμα μέσα στον πίδακα και ο ρυθμός με τον οποίο το SMBH συσσωρεύει ύλη από τον περιβάλλοντα δίσκο του.
Η αλληλεπίδραση μεταξύ όλων αυτών των παραγόντων είναι αυτό που προκαλεί το παρατηρούμενο σπάσιμο στο σχήμα ενός πίδακα, το οποίο μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για την παρέκταση της μάζας των SMBH και της ταχύτητας περιστροφής του. Η Elena Nokhrina, η αναπληρώτρια επικεφαλής του εργαστηρίου MIPT που συμμετείχε στη μελέτη και η επικεφαλής συγγραφέας στο έγγραφο της ομάδας, περιγράφει τη μέθοδο που ανέπτυξαν στο ακολουθώντας τον τρόπο :
«Η νέα ανεξάρτητη μέθοδος για την εκτίμηση της μάζας και της περιστροφής της μαύρης τρύπας είναι το βασικό αποτέλεσμα της δουλειάς μας. Παρόλο που η ακρίβειά του είναι συγκρίσιμη με αυτή των υπαρχουσών μεθόδων, έχει το πλεονέκτημα ότι μας φέρνει πιο κοντά στον τελικό στόχο. Δηλαδή, τελειοποιώντας τις παραμέτρους του πυρήνα του «κινητήρα» για να κατανοήσουμε βαθύτερα τη φύση του».
Χάρη στη διαθεσιμότητα εξελιγμένων οργάνων για τη μελέτη SMBH (όπως το Event Horizon Telescope) και διαστημικών τηλεσκοπίων επόμενης γενιάς που θα τεθούν σε λειτουργία σύντομα, δεν θα χρειαστεί πολύς χρόνος για να δοκιμαστεί διεξοδικά αυτό το νέο μοντέλο. Ένας καλός υποψήφιος θα ήταν ο Τοξότης Α*, το SMBH στο κέντρο του γαλαξία μας που εκτιμάται ότι είναι μεταξύ 3,5 εκατομμυρίων 4,7 εκατομμυρίων Ηλιακών μαζών.
Εκτός από την τοποθέτηση ακριβέστερων περιορισμών σε αυτή τη μάζα, οι μελλοντικές παρατηρήσεις θα μπορούσαν επίσης να καθορίσουν πόσο ενεργός (ή ανενεργός) είναι ο πυρήνας του γαλαξία μας. Αυτά και άλλα μυστήρια μαύρης τρύπας περιμένουν!