Όταν μια μαύρη τρύπα «καταπίνει» άστρο – Η έκρηξη που φωτίζει ολόκληρο γαλαξία

Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες αποτελούν μερικά από τα πιο αινιγματικά αντικείμενα του σύμπαντος. Ζυγίζουν συνήθως εκατομμύρια ή και δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου και βρίσκονται στο κέντρο των περισσότερων μεγάλων γαλαξιών.

Στο κέντρο του Γαλαξία μας βρίσκεται η Sagittarius A*, η υπερμεγέθης μαύρη τρύπα του Γαλαξία, με μάζα περίπου τεσσάρων εκατομμυρίων ήλιων. Επειδή δεν εκπέμπουν φως, οι αστρονόμοι μπορούν να τις εντοπίσουν μόνο έμμεσα, μέσω των επιδράσεών τους στα κοντινά άστρα και αέρια.

Σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στο The Astrophysical Journal Letters, ο Eric Coughlin, αναπληρωτής καθηγητής φυσικής στο College of Arts and Sciences του Πανεπιστημίου Syracuse, μαζί με συνεργάτες του, διευκρινίζουν τι συμβαίνει όταν ένα άστρο πλησιάζει υπερβολικά κοντά σε μια τέτοια μαύρη τρύπα και διαλύεται.

Όταν οι μαύρες τρύπες «καταπίνουν» άστρα

Ένα άστρο που «καταπίνεται» από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα δεν εξαφανίζεται ακαριαία. Η τεράστια βαρύτητα της τρύπας το διαμελίζει, δημιουργώντας μια μακριά, λεπτή ροή συντριμμιών. Με τον χρόνο, αυτή η ροή περιελίσσεται γύρω από τη μαύρη τρύπα, φαινόμενο που απορρέει από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν· η θεωρία του Νεύτωνα δεν προβλέπει κάτι τέτοιο.

Όταν τμήματα αυτής της ροής συγκρούονται μεταξύ τους, απελευθερώνουν τεράστια ποσά ενέργειας και σταδιακά καταλήγουν να σπειροειδώς πέφτουν στη μαύρη τρύπα. Οι δύο αυτές διεργασίες —η αρχική σύγκρουση και η επακόλουθη προσρόφηση— παράγουν τόσο έντονη ακτινοβολία που προσωρινά υπερκαλύπτει τη φωτεινότητα ολόκληρου του γαλαξία, με φως ισοδύναμο ενός τρισεκατομμυρίου ήλιων.

Οι αστρονόμοι ονομάζουν αυτά τα φαινόμενα γεγονότα παλιρροϊκής διαταραχής (Tidal Disruption Events – TDEs). Πρόκειται για σπάνιες ευκαιρίες μελέτης υπερμεγεθών μαύρων τρυπών όπως η Sagittarius A* σε άλλους γαλαξίες.

«Μπορούμε να μελετήσουμε τα γεγονότα παλιρροϊκής διαταραχής για να μάθουμε περισσότερα σχετικά με τις μαύρες τρύπες που παραμένουν αόρατες», αναφέρει ο Coughlin.

Εδώ και χρόνια, τα TDEs γοητεύουν τους επιστήμονες, καθώς κάθε τέτοιο φαινόμενο λειτουργεί σαν δακτυλικό αποτύπωμα. Αναλύοντας τον τρόπο που η λάμψη ενός TDE αυξάνεται, κορυφώνεται και σβήνει, οι ερευνητές μπορούν να υπολογίσουν ιδιότητες της μαύρης τρύπας, όπως τη μάζα και πιθανώς την περιστροφή της. Ωστόσο, οι λεπτομέρειες του σχηματισμού αυτών των εκλάμψεων παραμένουν δύσκολο να αποσαφηνιστούν, κυρίως λόγω της πολυπλοκότητας των προσομοιώσεων.

Η καθαρότερη εικόνα των συντριμμιών

Οι νέες προσομοιώσεις υψηλής ανάλυσης αλλάζουν τα δεδομένα. Πρόσφατη εργασία με επικεφαλής τον Lucio Mayer του Πανεπιστημίου της Ζυρίχης, στην οποία συμμετείχε και ο Coughlin, χρησιμοποιεί τη μέθοδο της λεγόμενης εξομαλυμένης υδροδυναμικής σωματιδίων (smoothed particle hydrodynamics). Η τεχνική αυτή αναλύει το άστρο σε «σωματίδια» που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους σύμφωνα με τις εξισώσεις Navier-Stokes, τις ίδιες που περιγράφουν τη ροή του νερού σε έναν αγωγό.

Η μελέτη χρησιμοποίησε δεκάδες δισεκατομμύρια σωματίδια για να προσομοιώσει το αέριο του διαλυμένου άστρου με πρωτοφανή λεπτομέρεια. Έτσι, αποκαλύφθηκε ότι τα συντρίμμια δεν διασκορπίζονται χαοτικά, αλλά σχηματίζουν μια στενή, συνεκτική ροή που ακολουθεί προβλέψιμη τροχιά γύρω από τη μαύρη τρύπα πριν συγκρουστεί με τον εαυτό της.

Το εύρημα αυτό επιβεβαιώνει μια παλαιότερη θεωρητική πρόβλεψη. Οι προηγούμενες προσομοιώσεις δεν διέθεταν την απαραίτητη ανάλυση, με αποτέλεσμα να αποδίδουν λανθασμένα τη δομή των συντριμμιών. Χάρη στη χρήση ισχυρών υπερυπολογιστών και επεξεργαστών γραφικών (GPUs), η νέα εικόνα είναι πλέον σαφέστερη.

Ο ρόλος της περιστροφής

Τρεις παράγοντες φαίνεται να επηρεάζουν την εξέλιξη ενός TDE: η μάζα της μαύρης τρύπας, η ταχύτητα περιστροφής της και ο προσανατολισμός αυτής της περιστροφής σε σχέση με την τροχιά των συντριμμιών. Μαζί, καθορίζουν πότε ξεκινά η λάμψη, πόσο φωτεινή γίνεται και πόσο διαρκεί.

Αν η μαύρη τρύπα περιστρέφεται, προκαλεί επιπλέον μεταβολές στον χωροχρόνο γύρω της, δημιουργώντας το φαινόμενο της οζώδους μετάπτωσης (nodal precession). Έτσι, η ροή των συντριμμιών μπορεί να μετατοπιστεί από το αρχικό της επίπεδο, με αποτέλεσμα να μην συγκρουστεί αμέσως με τον εαυτό της, αλλά μετά από αρκετές περιφορές γύρω από τη μαύρη τρύπα.

Αυτή η πολυπλοκότητα ίσως εξηγεί γιατί κανένα TDE δεν μοιάζει απόλυτα με κάποιο άλλο. Ορισμένα εμφανίζονται σύντομα και εξασθενούν γρήγορα, άλλα εξελίσσονται πιο αργά, ενώ κάποια διαφέρουν σημαντικά σε φωτεινότητα. Αν και η μάζα της μαύρης τρύπας παίζει ρόλο, οι νέες προσομοιώσεις δείχνουν ότι ο ρυθμός περιστροφής της μπορεί να είναι καθοριστικός παράγοντας αυτής της ποικιλίας.

Τα γεγονότα παλιρροϊκής διαταραχής μετατρέπουν τα αόρατα αντικείμενα σε αναγνώσιμα σήματα. Ένα άστρο διαλύεται, τα συντρίμμια συγκρούονται, το φως αναδύεται και μια κρυμμένη μαύρη τρύπα αποκαλύπτεται. Με τη βοήθεια πιο εξελιγμένων προσομοιώσεων και ισχυρότερων τηλεσκοπίων, οι αστρονόμοι κατανοούν πλέον αυτά τα κοσμικά μηνύματα με μεγαλύτερη σαφήνεια από ποτέ.

Πηγή: phys.org