Εντοπίστηκαν τρεις γιγάντιες μαύρες τρύπες σε ένα «χορό θανάτου»

Μια τριάδα υπερμεγέθων μαύρων τρυπών έχει εμπλακεί σε μια βαρυτική αλληλεπίδραση η οποία πιθανότατα θα οδηγήσει σταδιακά στη συγχώνευσή τους δημιουργώντας τελικά μια πρωτοφανούς μεγέθους μελανή οπή.

Οι επιστήμονες εντόπισαν τις μαύρες τρύπες σε ένα γαλαξία τόσο μακρινό ώστε το φως του χρειάστηκε 12,5 δισεκατομμύρια χρόνια για να φτάσει μέχρι εμάς. Αυτό σημαίνει ότι τον βλέπουμε όπως ήταν λιγότερο από 1,3 δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το μυστηριώδες φαινόμενο από το οποίο προέκυψε το Σύμπαν.

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 συγχωνεύσεων.

«Αυτή είναι η πρώτη ένδειξη για την ύπαρξη τριών ενεργών μαύρων τρυπών μέσα σε έναν και μόνο γαλαξία στο μακρινό Σύμπαν. Υποδηλώνει ότι οι διαδικασίες στο πρώιμο Σύμπαν ήταν ιδιαίτερα αποτελεσματικές στο να φέρνουν τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες κοντά μεταξύ τους ανοίγοντας το δρόμο για τις συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών που αναμένουμε να ανιχνεύσουμε με μελλοντικά παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων» δήλωσε η Χάνα Ούμπλερ αστρονόμος στο Ινστιτούτο Εξωγήινης Φυσικής Μαξ Πλανκ στη Γερμανία, επικεφαλής της μελέτης.

Ένας γαλαξίας από το πολύ μακρινό παρελθόν

Ο γαλαξίας που φιλοξενεί τις μαύρες τρύπες έχει την ονομασία J0148-4214 και βρίσκεται τόσο μακριά ώστε το πανίσχυρο διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb Space Telescope με το οποίο πραγματοποιήθηκε η ανακάλυψη δεν μπορούσε να δει απευθείας τις τρεις μαύρες τρύπες.

Αντί γι’ αυτό η μονάδα Integrated Field Spectroscopy του οργάνου NIRSpec του JWST μέτρησε την κίνηση αερίου υδρογόνου που περιστρέφεται με πολύ μεγάλη ταχύτητα γύρω από τις μαύρες τρύπες μέσα στους δίσκους προσαύξησης που τις περιβάλλουν. «Τα δεδομένα του James Webb μάς επέτρεψαν όχι μόνο να εντοπίσουμε τις τρεις μαύρες τρύπες αλλά και να εκτιμήσουμε τις μάζες τους, τους ρυθμούς προσαύξησης ύλης και τη συνολική αστρική μάζα του γαλαξία», δήλωσε ο Τζιοβάνι Ματζολάρι του Ινστιτούτου Εξωγήινης Φυσικής Μαξ Πλανκ.

Οι ερευνητές υπολογίζουν ότι ο γαλαξίας έχει συνολική αστρική μάζα περίπου 1,3 δισεκατομμυρίων Ήλιων ενώ οι μαύρες τρύπες αντιπροσωπεύουν σημαντικό μέρος αυτής.

Οι τρεις μαύρες τρύπες

Δύο από τις μαύρες τρύπες βρίσκονται στο κέντρο του J0148-4214 και απέχουν μεταξύ τους περίπου 620 έτη φωτός. Η μία έχει τεράστια μάζα, περίπου 80 εκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου. Η δεύτερη είναι πολύ μικρότερη, με μάζα περίπου 600,000 ηλιακές μάζες. Παρά το μικρότερο μέγεθός της, όμως, αναπτύσσεται με εκπληκτικά γρήγορο ρυθμό, συσσωρεύοντας αέριο με ρυθμό μεγαλύτερο από το όριο Eddington.

Το όριο Eddington είναι, θεωρητικά, ο μέγιστος ρυθμός με τον οποίο μπορεί να πέφτει ύλη προς μια μαύρη τρύπα. Αν ο ρυθμός γίνει μεγαλύτερος ο δίσκος προσαύξησης γίνεται τόσο πυκνός και θερμός ώστε η ακτινοβολία του εκτοξεύει μέρος της ύλης προς τα έξω περιορίζοντας έτσι την περαιτέρω «τροφοδότηση» της μαύρης τρύπας.

Αυτό σημαίνει ότι η μικρότερη μαύρη τρύπα πιθανότατα δεν θα μπορέσει να διατηρήσει για πολύ αυτόν τον εξαιρετικά γρήγορο ρυθμό ανάπτυξης προτού η αρνητική ανάδραση σταματήσει την ξέφρενη συσσώρευση ύλης. Η τρίτη μαύρη τρύπα βρίσκεται περίπου 5,500 έτη φωτός από το κέντρο του J0148-4214 και έχει μάζα περίπου 2 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ήλιου.

Αυτό αντιστοιχεί περίπου στο μισό της μάζας της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας στο κέντρο του δικού μας γαλαξία, του Τοξότη Α*. Οι επιστήμονες θεωρούν ότι αυτή η τρίτη μαύρη τρύπα και πιθανώς και η δεύτερη μπορεί να έφτασε στον J0148-4214 μέσω συγχωνεύσεων γαλαξιών.

«Τα αποτελέσματα είναι εξαιρετικά συναρπαστικά. Υποδηλώνουν ότι οι συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών μπορεί να αποτελούν έναν επιπλέον και γρήγορο δρόμο για την ταχεία ανάπτυξή τους στο πρώιμο Σύμπαν» δήλωσε ο Ρομπέρτο Μαγιολένο του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ.

Οι συγχωνεύσεις δημιουργούν βαρυτικά κύματα

Οι συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών προκαλούν εκρήξεις βαρυτικών κυμάτων. Τα σημερινά ανιχνευτικά συστήματα μεταξύ των οποίων το LIGO στις ΗΠΑ, το Virgo στην Ιταλία και το KAGRA στην Ιαπωνία μπορούν να ανιχνεύσουν τα υψηλής συχνότητας και μικρού μήκους κύματος βαρυτικά κύματα που παράγονται από τη συγχώνευση μαύρων τρυπών αστρικής μάζας, δηλαδή μαύρων τρυπών που σχηματίζονται από ορισμένες εκρήξεις σουπερνόβα.

Για την ανίχνευση των πολύ μεγαλύτερου μήκους κύματος και χαμηλότερης συχνότητας βαρυτικών κυμάτων που θα δημιουργούσαν οι συγχωνεύσεις υπερμεγέθων μαύρων τρυπών, όπως αυτές του J0148-4214, απαιτείται ένα διαστημικό ανιχνευτικό σύστημα με τεράστια απόσταση μεταξύ των επιμέρους διαστημοπλοίων. Για αυτόν τον σκοπό ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος (ESA) σχεδιάζει την αποστολή LISA — Laser Interferometer Space Antenna.

Αν όλα εξελιχθούν σύμφωνα με το σχέδιο το LISA θα εκτοξευθεί και θα λειτουργήσει στα μέσα της δεκαετίας του 2030. Θα αποτελείται από τρία διαστημόπλοια σε τριγωνικό σχηματισμό, με κάθε πλευρά του τριγώνου να έχει μήκος περίπου 2,5 εκατομμύρια χιλιόμετρα. Τα τρία διαστημόπλοια θα στέλνουν ακτίνες λέιζερ το ένα προς το άλλο και θα αναζητούν απειροελάχιστες μεταβολές στον χρόνο που χρειάζονται οι ακτίνες για να διανύσουν την απόσταση μεταξύ τους ενδείξεις ότι έχει περάσει ένα βαρυτικό κύμα.

Η επιφύλαξη

Υπάρχει, ωστόσο μια σημαντική επιφύλαξη σχετικά με τον J0148-4214. Η τρίτη μαύρη τρύπα μπορεί να μην βρίσκεται σε τροχιά σύγκρουσης με τις άλλες δύο. Αντίθετα ενδέχεται να κατευθύνεται προς την έξοδο από τον γαλαξία. Πρόκειται ουσιαστικά για το κλασικό «πρόβλημα των τριών σωμάτων»: πώς αλληλεπιδρούν μεταξύ τους τρία αντικείμενα που περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο;

Μια πιθανότητα είναι ότι οι δύο μικρότερες μαύρες τρύπες έφτασαν στον J0148-4214 ως δυαδικό ζεύγος. Καθώς πλησίαζαν τη μαύρη τρύπα των 80 εκατομμυρίων ηλιακών μαζών, η μεγαλύτερη μαύρη τρύπα μπορεί να «άρπαξε» τη μαύρη τρύπα των 600.000 ηλιακών μαζών, ενώ ταυτόχρονα αντάλλαξε στροφορμή με τη μαύρη τρύπα των 2 εκατομμυρίων ηλιακών μαζών, εκτοξεύοντάς την με πολύ μεγάλη ταχύτητα προς τα έξω.

Ένα παρόμοιο φαινόμενο παρατηρείται και στο δικό μας γαλαξία με τα λεγόμενα υπερταχέα άστρα, τα οποία κινούνται με τεράστιες ταχύτητες και εγκαταλείπουν τον γαλαξία.

Τα άστρα αυτά αποτελούσαν κάποτε μέρος ενός διπλού αστρικού συστήματος που πλησίασε υπερβολικά τον Sagittarius A*, τη μαύρη τρύπα στο κέντρο του Γαλαξία μας. Το ένα άστρο του ζεύγους παγιδεύτηκε από τη μαύρη τρύπα, ενώ το άλλο εκτοξεύτηκε προς τα έξω.

Προς το παρόν, οι επιστήμονες δεν μπορούν να μετρήσουν την κατεύθυνση κίνησης της τρίτης μαύρης τρύπας στον J0148-4214. Επομένως, δεν μπορούν να επιβεβαιώσουν αν τελικά θα συγχωνευθεί με τις άλλες δύο ή αν θα διαφύγει από το γαλαξία. Αν πράγματι διαφύγει, είναι πιθανό να περιπλανιέται μόνη και αόρατη στον διαγαλαξιακό χώρο ακόμη και σήμερα 12,5 δισεκατομμύρια χρόνια αργότερα.

Naftemporiki.gr