Ανιχνεύτηκε ύλη να ταλαντεύεται γύρω από μια μαύρη τρύπα για πρώτη φορά

Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων έχει παρατηρήσει ταλάντευση ύλης σε μια βαρυτική δίνη γύρω από μια μαύρη τρύπα για πρώτη φορά.

Η ανακάλυψη θα μπορούσε να βοηθήσει στη διευθέτηση μιας μακράς συζήτησης σχετικά με ένα αστρονομικό φαινόμενο που ονομάζεται οιονεί περιοδική ταλάντωση, καθώς επίσης θα βοηθήσει τους επιστήμονες να καταλάβουν περισσότερα για το πώς η ύλη συμπεριφέρεται στις έντονες βαρυτικές δυνάμεις κοντά στις μαύρες τρύπες - και κατ' επέκταση,  την γενική θεωρία της σχετικότητα του Αϊνστάιν.

Χρησιμοποιώντας δεδομένα από το διαστημικό τηλεσκόπιο XMM-Newton της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος, μία διεθνής ομάδα αστρονόμων απέδειξε ότι οι μαύρες τρύπες καθώς περιστρέφονται συμπαρασύρουν στην κίνησή τους και τον χωρόχρονο, με συνέπεια αυτός να συστρέφεται τοπικά και να δημιουργεί ένα είδος «βαρυτικής δίνης».

Στην ανακάλυψη αυτή, συνέβαλε και το διαστημικό τηλεσκόπιο NuSTAR της NASA.

Ακολουθώντας μία σπειροειδή τροχιά που θα την οδηγήσει μέσα στη μαύρη τρύπα, η ύλη θερμαίνεται αποκτώντας θερμοκρασία εκατομμυρίων Κελσίου. Έτσι, αρχίζει να εκπέμπει ακτίνες Χ στο διάστημα.

Τη δεκαετία του 1980, αστρονόμοι παρατήρησαν πως η ένταση των ακτίνων Χ μεταβάλλεται, και μάλιστα με ένα συγκεκριμένο μοτίβο. Αρχικά, ανάμεσα στο μέγιστο και το ελάχιστο της έντασης μεσολαβούν 10 δευτερόλεπτα, ένας χρόνος που ελαττώνεται με την πάροδο των εβδομάδων και των μηνών, έως ότου μηδενισθεί.

Το φαινόμενο ονομάζεται ημι-περιοδική ταλάντωση (QPO), για το οποίο ήδη από τη δεκαετία του 1990 αρκετοί αστρονόμοι υποπτεύθηκαν ότι οφείλεται σε ένα φαινόμενο που προέβλεψε ο Αϊνστάιν, στο πλαίσιο της Γενικής Σχετικότητας. Σύμφωνα με αυτό το φαινόμενο, ένα περιστρεφόμενο σώμα στρέφει μαζί του τον χωρόχρονο, με συνέπεια να δημιουργείται τοπικά μία «βαρυτική δίνη».

«Φανταστείτε ότι περιστρέφεται ένα κουτάλι μέσα σε μέλι. Τότε, οποιοδήποτε μικρό σωματίδιο βρίσκεται μέσα στο μέλι θα συμπαρασυρθεί στην κίνηση του κουταλιού», εξηγεί στην ιστοσελίδα της ESA ο αστρονόμος Άνταμ Ίνγκραμ, από το πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ και μέλος της ομάδας. «Κάτι που σημαίνει πως οτιδήποτε κινείται σε τροχιά γύρω από το περιστρεφόμενο σώμα, λόγω αυτού του φαινομένου, θα επηρεασθεί η πορεία του».

Αν το επίπεδο της τροχιάς του αντικειμένου είναι κεκλιμένο, τότε το αποτέλεσμα θα είναι η τροχιά να αρχίζει να αλλάζει προσανατολισμό με περιοδικό τρόπο, επιστρέφοντας έπειτα από έναν «κύκλο» στην αρχική της κατάσταση. Αυτή η περιοδική αλλαγή προσανατολισμού της τροχιάς ονομάζεται φαινόμενο Lense-Thirring και, στην περίπτωση μίας μαύρης τρύπας, ένας τέτοιος «κύκλος» διαρκεί ελάχιστα δευτερόλεπτα.

Επομένως, η διάρκειά του είναι περίπου ίδια με την περίοδο των QPO. Κάτι που έκανε τους επιστήμονες να υποθέσουν πως τα δύο φαινόμενα συνδέονται.

Ο Ίνγκραμ ξεκίνησε να εργάζεται πάνω στο πρόβλημα περίπου πριν από μία δεκαετία, μελετώντας τη συμπεριφορά του «δίσκου συσσώρευσης», δηλαδή του δίσκου που σχηματίζει η ύλη γύρω από μία μαύρη τρύπα, καθώς κινείται σε σπειροειδή τροχιά για να καταλήξει σε αυτήν. Ήταν ήδη γνωστό ότι το τμήμα του δίσκου που βρίσκεται κοντά στη μαύρη τρύπα μετατρέπεται σε θερμό πλάσμα, όπου τα άτομα «ξεγυμνώνονται» από τα ηλεκτρόνιά τους, τα οποία κινούνται ελεύθερα σε όλη τη μάζα.

Ήδη από το 2009, μαζί με συναδέλφους του ο Ολλανδός επιστήμονας υποστήριζε σε επιστημονικό άρθρο του πως οι αυξομειώσεις της έντασης των ακτίνων Χ οφείλονται στο φαινόμενο Lense-Thirring, και πιο συγκεκριμένα στους «κύκλους» αλλαγής προσανατολισμού της τροχιάς της ύλης σε αυτό το εσωτερικό τμήμα του δίσκου. Ωστόσο, παρόλο που στο άρθρο περιγραφόταν ο μηχανισμός, δεν υπήρχαν παρατηρησιακά δεδομένα που να τον αποδεικνύουν.

Τα παρατηρησιακά δεδομένα προέκυψαν από την ακτινοβολία που εκπέμπουν τα άτομα σιδήρου στον δίσκο, καθώς «βομβαρδίζονται» από την ενέργεια που απελευθερώνει το εσωτερικό τμήμα. Η ακτινοβολία αυτή ανήκει στο φάσμα των ακτίνων Χ και, αν η ύλη σε αυτό το εσωτερικό τμήμα του δίσκου ακολουθεί όντως «κύκλους» αλλαγής προσανατολισμού, τότε θα έπρεπε η συχνότητα των ακτίνων Χ από τα άτομα σιδήρου να μεταβάλλεται με ανάλογο τρόπο.

Έτσι, τώρα ο Ίνγκραμ με συναδέλφους του από το Άμστερνταμ, το Κέιμπριτζ, το Σαουθάμπτον και το Τόκιο, έβαλαν στο «μικροσκόπιο» τη μαύρη τρύπα H 1743-322, συγκεντρώνοντας με το τηλεσκόπιο XMM-Newton δεδομένα διάρκειας 260.000 δευτερόλεπτα και με το NuSTAR 70.000 δευτερολέπτων.

Αναλύοντας τις μετρήσεις, διαπίστωσαν πως η συχνότητα των ακτίνων Χ του σιδήρου συμφωνεί με της προβλέψεις της Γενικής Σχετικότητας. «Ουσιαστικά μετρήσαμε άμεσα την κίνηση της ύλης σε ένα ισχυρό βαρυτικό πεδίο, κοντά σε μία μαύρη τρύπα», σχολιάζει ο επιστήμονας.

Η ίδια τεχνική μπορεί να αποτελέσει ένα ισχυρό εργαλείο για τον έλεγχο της Γενικής Σχετικότητας, η οποία δεν έχει επιβεβαιωθεί σε τόσο ισχυρά βαρυτικά πεδία. Επομένως, αν οι αστρονόμοι μπορούν να κατανοήσουν τη συμπεριφορά της ύλης που «εξαφανίζεται» μέσα σε μία μαύρη τρύπα, θα μπορούν να την αξιοποιήσουν για να ελέγξουν τις προβλέψεις της θεωρίας του Αϊνστάιν σε έως σήμερα «ανεξερεύνητες περιοχές».

Οποιαδήποτε απόκλιση από τις προβλέψεις της θα αποτελεί ένδειξη πως υπάρχει μία βαθύτερη θεωρία για την περιγραφή της βαρύτητας, αφού η Γενική Σχετικότητα δεν αποτελεί την «τελευταία λέξη» της φυσικής για την ερμηνεία της.

Χρησιμοποιώντας την τεχνική  - που είναι η πρώτη φορά που το  φαινόμενο Lense-Thirring μετρήθηκε σε ένα ισχυρό βαρυτικό πεδίο - οι αστρονόμοι θα είναι πλέον σε θέση να μελετήσουν την κίνηση της ύλης σε αυτές τις εσωτερικές περιοχές των δίσκων προσαύξησης γύρω από τις μαύρες τρύπες, δίνοντας στους επιστήμονες έναν νέο τρόπο για να δοκιμάσουν τις ιδέες που μέχρι τώρα έχουν παραμείνει σε μεγάλο βαθμό υποθετικές.

"Εάν μπορείτε να φτάσετε στο κάτω μέρος της αστροφυσικής", λέει ο Ingram, "τότε μπορείτε να δοκιμάσετε πραγματικά την γενική σχετικότητα."

Μια απόκλιση από τις προβλέψεις της γενικής σχετικότητας θα ήταν ευπρόσδεκτη από πολλούς αστρονόμους και φυσικούς. Θα ήταν ένα συγκεκριμένο μήνυμα ότι υπάρχει μια βαθύτερη θεωρία της βαρύτητας.

Μεγαλύτερα τηλεσκόπια ακτίνων Χ στο μέλλον θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην αναζήτηση, επειδή είναι πιο ισχυρά και θα μπορούσε πιο αποτελεσματικά να συλλέγουν ακτίνες Χ. Αυτό θα επιτρέψει στους αστρονόμους να διερευνήσουν το φαινόμενο QPO με περισσότερες λεπτομέρειες.

Αλλά για τώρα, οι αστρονόμοι μπορούν να είναι ικανοποιημένοι που είδαν την βαρύτητα του Αϊνστάιν στο παιχνίδι γύρω από μια μαύρη τρύπα.

"Πρόκειται για μια σημαντική εξέλιξη, δεδομένου ότι η μελέτη συνδυάζει πληροφορίες για το χρονοδιάγραμμα και την ενέργεια των φωτονίων των ακτίνων Χ για να διευθετήσει την 30 ετών συζήτηση γύρω από την προέλευση των QPOs. Η δυνατότητα συλλογής φωτονίων- του XMM-Newton συνέβαλε σε αυτό το έργο", δήλωσε ο Norbert Schartel, ESA επιστήμονας του προγράμματος  XMM-Newton.
14/7/2016

0 σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου