Νόμπελ Φυσικής 2020.Γνωριμία με τις μελανές οπές

 Η επιτροπή των βραβείων Νόμπελ ανακοίνωσε σήμερα ότι το Νόμπελ Φυσικής για το 2020 δίνεται σε τρεις φυσικούς.Συγκεκριμένα ο Ρότζερ Πένροουζ τιμάται "για την ανακάλυψή του ότι ο σχηματισμός μιας μαύρης τρύπας προβλέπεται σίγουρα από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας" του Αϊνστάιν.Ο Ρέινχαρντ Γκέζελ και η Άντρια Γκεζ λαμβάνουν,επίσης,το βραβείο "για την ανακάλυψη ενός συμπαγούς υπερμεγέθους αντικειμένου στο κέντρο του γαλαξία μας".

 Τα βραβεία δόθηκαν ,λοιπόν,φέτος σε ανακαλύψεις  στην Αστροφυσική ,γι'αυτό ας  θέσουμε κάποια ερωτήματα και θα προσπαθήσουμε να δώσουμε ορισμένες απαντήσεις.Τι είναι μια μαύρη τρύπα;Γιατί ούτε το φως δε μπορεί να ξεφύγει από τη βαρυτική αλληλεπίδραση μιας μαύρης τρύπας και πώς σχετίζεται η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας με την ύπαρξη μελανών οπών;

 Έστω ότι ένα διαστημόπλοιο εκτοξεύεται από την επιφάνεια της Γης με στόχο να φτάσει στον πλανήτη Άρη.Με ποια ελάχιστη ταχύτητα πρέπει να εκτοξευθεί ώστε να διαφύγει οριστικά από το βαρυτικό πεδίο της Γης;Αποδεικνύεται ότι η ταχύτητα διαφυγής εξαρτάται από τη μάζα της Γης καθώς και από την ακτίνα της,αλλά όχι και από τη μάζα του διαστημόπλοιου.Προκύπτει ότι αυτή η ταχύτητα έχει τιμή 11,2 km/s ενώ αν το διαστημόπλοιο ή ένα άλλο σώμα επιχειρούσε να διαφύγει από την επιφάνεια του πλανήτη Δία θα χρειαζόταν ταχύτητα 59,1 km/s.Αν ,πάλι,κάποιος αποφάσιζε να διαφύγει από την επιφάνεια του Ήλιου τα πράγματα θα ήταν ακόμα πιο δύσκολα καθώς θα χρειαζόταν μια ταχύτητα ίση με 618km/s.Παρατηρούμε ,λοιπόν,ότι όσο αυξάνεται η μάζα του ουράνιου σώματος τόσο μεγαλύτερη είναι και η  ταχύτητα διαφυγής που απαιτείται.

 Η μεγαλύτερη ταχύτητα στη φύση είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό και είναι ίση με 300 000km/s.Ένα ουράνιο σώμα με ακτίνα μικρότερη από μια τιμή που σχετίζεται με τη μάζα του σώματος και την ταχύτητα του φωτός(ακτίνα Schwarzschild) δεν επιτρέπει σε τίποτα,ούτε στο φως,να διαφύγει απο το βαρυτικό του πεδίο.Η σκιά ενός τέτοιου σώματος φωτογραφήθηκε για πρώτη φορά στις 11 Απριλίου 2019 με τη βοήθεια οχτώ ραδιοτηλεσκοπίων τα οποία λειτουργούν από κοινού σαν ένα τεράστιο συμβολομετρικό τηλεσκόπιο με διάμετρο ίση με αυτήν της Γης.Αυτά τα σώματα,που μόνο τη σκιά τους έχουμε δει μέχρι τώρα,ονομάζονται μαύρες τρύπες.

Εικόνα:Η πρώτη φωτογράφιση της σκιάς μιας μαύρης τρύπας

 Οι μαύρες τρύπες είναι αντικείμενα πολύ μεγάλης πυκνότητας ενώ στο κέντρο τους η πυκνότητα γίνεται άπειρη.Το κέντρο ονομάζεται ιδιομορφία και βρίσκεται πίσω από μια επιφάνεια που ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων.Λόγω της τεράστιας βαρυτικής έλξης μιας μαύρης τρύπας δε μπορεί να διαφύγει τίποτα πέρα από τον ορίζοντα γεγονότων,ούτε καν το φως.Για την ακρίβεια,για να μπορούσε να διαφύγει θα έπρεπε να έχει ταχύτητα διαφυγής πολύ μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός,κάτι που είναι πρακτικά αδύνατο,σύμφωνα και με τα αξιώματα της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας.

 Παρατηρώντας την εικόνα διαπιστώνουμε ότι υπάρχει ένας φωτεινός δακτύλιος που περιβάλλει τη σκιά της μαύρης τρύπας.Ο δακτύλιος αυτός είναι το ίδιο το φως, που μπορεί να προέρχεται από κάποιο κοντινό αστέρι,καμπυλωμένο λόγω της τεράστιας βαρύτητας που δημιουργεί η μαύρη τρύπα.Αυτή η καμπύλωση προβλέπεται θεωρητικά από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας(Γ.Θ.Σ) του Αϊνστάιν γι'αυτό και η συγκεκριμένη φωτογραφία,όπως και η εργασία των βραβευθέντων,αποτελούν ισχυρές επαληθεύσεις θεμελιωδών προβλέψεων της Γ.Θ.Σ.Μάλιστα ακόμα και η ίδια η αιτία της βαρύτητας είναι η καμπύλωση του χωροχρόνου.Όπως το έθεσε αρκετά χρόνια αργότερα ο φυσικός John Archibald Wheeler η ύλη λέει στο χωροχρόνο πώς θα καμπυλωθεί και ο βαθμός καμπύλωσης του χωροχρόνου υπαγορεύει στην ύλη πώς θα κινηθεί.

 Μόλις τα άστρα εξαντλήσουν τα καύσιμά τους εκρήγνυνται σε υπερκαινοφανείς (supernova) ενώ καταρρέουν υπό την επίδραση της βαρύτητάς τους.Υπάρχουν ,βέβαια,αναπάντητα ερωτήματα ακόμα.Πώς σχετίζεται η μάζα της μαύρης τρύπας με τον γαλαξία απ'όπου προέρχεται;Ποιες είναι οι φυσικές διεργασίες δημιουργίας μιας μαύρης τρύπας;Οι αστροφυσικοί προσπαθούν να δώσουν απαντήσεις σε τέτοιου είδους ερωτήσεις.Και παρά το ότι ο Ήλιος δεν πληροί τις προϋποθέσεις μάζας ώστε να μετατραπεί σε μαύρη τρύπα ,οι απαντήσεις σε αυτές και σε άλλες απορίες πρέπει να έχουν δοθεί το αργότερο μέσα στα επόμενα 4 με 5 δισεκατομμύρια χρόνια.Τι λέτε,προλαβαίνουμε;