Η αποκάλυψη ενός σκοτεινού μυστικού του Γαλαξία μας

Posted on 16/10/2020

0


… βραβεύθηκε με Νόμπελ Φυσικής

Στις 5 Οκτωβρίου του 2020 ο Reinhard Genzel και η Andrea Ghez τιμήθηκαν με το ήμισυ του βραβείου Νόμπελ Φυσικής “για την ανακάλυψη ενός υπερμεγέθους συμπαγούς αντικειμένου στο κέντρο του γαλαξία μας». Οι Genzel και Ghez έδειξαν ότι, αν και δεν μπορούμε να δούμε μια μαύρη τρύπα, είναι δυνατόν να αντιληφθούμε την ύπαρξή της και να προσδιορίσουμε τις ιδιότητές της παρατηρώντας πως η τερατώδης βαρύτητά της καθορίζει τις τροχιές των άστρων που κινούνται γύρω της.

Ο Reinhard Genzel και η Andrea Ghez διευθύνουν ερευνητικές ομάδες φυσικών οι οποίοι ερευνούν το κέντρο του Γαλαξία μας. Ο Γαλαξίας μας έχει σχήμα πεπλατυσμένου δίσκου με διάμετρο 100000 ετών φωτός και αποτελείται από αέρια, σκόνη και μερικές εκατοντάδες δισεκατομμύρια άστρα – ένα από αυτά τα άστρα είναι ο Ήλιος μας.Από το δικό μας οπτικό πεδίο στη Γη, τεράστια διαστρικά νέφη και σκόνη κρύβουν το μεγαλύτερο μέρος του ορατού φωτός που προέρχεται από το κέντρο του Γαλαξία μας. Τα υπέρυθρα τηλεσκόπια και η ραδιοαστρονομία επέτρεψαν τους αστρονόμους να δουν μέσα από τον δίσκο του γαλαξία τα άστρα που βρίσκονται στο κέντρο του. Παρατηρώντας τις τροχιές αυτών των άστρων οι Genzel και Ghez έχουν έχουν βρει πολύ ισχυρές αποδείξεις ότι στο κέντρο του Γαλαξία μας υπάρχει ένα αόρατο αντικείμενο με τεράστια μάζα. Η μόνη δυνατή ερμηνεία είναι ότι πρόκειται για μαύρη τρύπα.

Εστίαση στο κέντρο

Για περισσότερα από πενήντα χρόνια, οι φυσικοί υποπτεύονταν ότι στο κέντρο του γαλαξία μας μπορεί να υπάρχει μια μαύρη τρύπα. Αφότου τα κβάζαρ ανακαλύφθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 1960, οι φυσικοί υποστήριξαν ότι τεράστιες μαύρες τρύπες μπορεί να βρίσκονται μέσα στους περισσότερους μεγάλους γαλαξίες, συμπεριλαμβανομένου και του δικού μας γαλαξία.

Όμως κανείς δεν μπορεί να εξηγήσει, προς το παρόν, πως σχηματίστηκαν οι γαλαξίες και οι τεράστιες μαύρες τρύπες τους, με μάζες από μερικά εκατομμύρια έως πολλά δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες. Πριν από εκατό χρόνια ο Αμερικανός αστρονόμος Harlow Shapley ήταν ο πρώτος που αναγνώρισε το κέντρο του Γαλαξία, προς την κατεύθυνση του αστερισμού του Τοξότη Α*.

Προς το τέλος της δεκαετίας του 1960, κατέστη σαφές ότι η ραδιοπηγή Τοξότης A * καταλαμβάνει το κέντρο του Γαλαξία, γύρω από το οποίο περιφέρονται όλα τα άστρα του Γαλαξία μας. Φτάσαμε στην δεκαετία του 1990 η εξέλιξη της τεχνολογίας και τα μεγαλύτερα τηλεσκόπια επέτρεψαν την πιο συστηματική μελέτη του Τοξότη Α*.

Έτσι, ο Reinhard Genzel και η Andrea Ghez ξεκίνησαν ερευνητικά προγράμματα για να δουν μέσα από τα διαστρικά νέφη την καρδιά του Γαλαξία μας, ανέπτυξαν νέες τεχνικές και βελτίωσαν τις ήδη υπάρχουσες, εξασφαλίζοντας τις προϋποθέσεις για λεπτομερέστερη διερεύνηση της καρδιάς του Γαλαξία μας.

Ο Γερμανός αστρονόμος Reinhard Genzel και η ομάδα του αρχικά χρησιμοποίησαν το NTT, το Νέας Τεχνολογίας Τηλεσκόπιο που βρίσκεται στο βουνό La Silla στη Χιλή. Τελικά συνέχισαν τις παρατηρήσεις στο VLT, το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο στο όρος Paranal (επίσης στη Χιλή). Με τέσσερα γιγαντιαία τηλεσκόπια, δύο φορές το μέγεθος του NT, το VLT έχει τους μεγαλύτερους μονολιθικούς καθρέφτες στον κόσμο, ο καθένας με διάμετρο μεγαλύτερη από 8 μέτρα.

Στις ΗΠΑ, η Andrea Ghez και η ερευνητική της ομάδα χρησιμοποιούν το Παρατηρητήριο Keck, που βρίσκεται στη Χαβάη, στο όρος Mauna Kea. Οι καθρέφτες του τηλεσκοπίου έχουν διάμετρο περίπου 10 μέτρα και είναι σήμερα μεταξύ των μεγαλύτερων στον κόσμο. Κάθε καθρέφτης είναι σαν μια κηρήθρα, που αποτελείται από 36 εξαγωνικά τμήματα που μπορούν να ελέγχονται χωριστά, έτσι ώστε να εστιάζουν καλύτερα το φως των άστρων.

Τα άστρα δείχνουν τον δρόμο

Όμως στα μεγάλα τηλεσκόπια υπάρχουν όρια στην διακριτική τους ικανότητα, κι ένας λόγος γιαυτό είναι επειδή ζούμε στον πυθμένα μιας ατμοσφαιρικής «θάλασσας» με βάθος 100 χιλιόμετρα.

Μεγάλες φυσαλίδες αέρα πάνω από το τηλεσκόπιο οι οποίες είναι πιο θερμές ή ψυχρότερες από το περιβάλλον τους ενεργούν σαν φακοί που διασκεδάζουν τις ακτίνες φωτός που εισέρχονται στον καθρέπτη του τηλεσκοπίου. Αυτός είναι ο λόγος που τα άστρα τρεμοφέγγουν και οι εικόνες τους είναι θολές.

Η έλευση της προσαρμοστικής οπτικής ήταν κρίσιμη στην βελτίωση των παρατηρήσεων. Τα τηλεσκόπια εξοπλίστηκαν με έναν λεπτό επιπλέον καθρέφτη που αντισταθμίζει την διαταραχή εξαιτίας του αέρα και διορθώνει την παραμορφωμένη εικόνα.

H αρχή της προσαρμοστικής οπτικής. Ένα σύστημα λέιζερ χρησιμοποιείται για την διόρθωση των παραμορφώσεων που οφείλονται στην ατμόσφαιρα της Γης.

Για σχεδόν τριάντα χρόνια, ο Reinhard Genzel και η Andrea Ghez παρακολουθούσαν τα άστρα τους στο μακρινό «αστρονομικό μπάχαλο» που επικρατεί στο κέντρο του γαλαξία μας. Συνεχίζουν να αναπτύσσουν και να βελτιώνουν την τεχνολογία, με πιο ευαίσθητους ψηφιακούς αισθητήρες φωτός και καλύτερα προσαρμοστικά οπτικά, ώστε η ανάλυση εικόνας να  βελτιωθεί περισσότερο από χίλιες φορές. Τώρα είναι σε θέση να προσδιορίσουν με μεγαλύτερη ακρίβεια τις θέσεις των άστρων, παρακολουθώντας τα από νύχτα σε νύχτα.

Οι ερευνητές παρακολουθούν περίπου τριάντα άστρα, τα πιο φωτεινά στο κέντρο του Γαλαξία μας. Τα άστρα κινούνται γρήγορα μέσα σε μια ακτίνα ενός μήνα φωτός από το κέντρο, εκτελώντας έναν δραστήριο χορό σαν ένα σμήνος μελισσών. Τα άστρα που βρίσκονται έξω από αυτή την περιοχή ακολουθούν τις ελλειπτικές τους τροχιές με πιο ομαλό τρόπο.

Ένα άστρο, που ονομάζεται S2 ή S-O2, ολοκληρώνει μια τροχιά γύρω από το κέντρο του Γαλαξία σε λιγότερο από 16 χρόνια. Αυτό είναι ένα εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα, ώστε να μπορέσουν οι αστρονόμοι να χαρτογραφήσουν ολόκληρη την τροχιά του. Συγκριτικά, ο Ήλιος μας, χρειάζεται περισσότερα από 200 εκατομμύρια χρόνια για να ολοκληρώσει μια πλήρη περιφορά γύρω από το κέντρο του Γαλαξία. Ας σημειωθεί ότι οι δεινόσαυροι εμφανίστηκαν στη Γη πριν από 230 εκατομμύρια χρόνια.

Tα άστρα κοντά στο κέντρο του Γαλαξία. Οι τροχιές των άστρων είναι οι πιο πειστικές ενδείξεις ότι μια τεράστια μαύρη τρύπα κρύβεται στον Τοξότη Α*. Αυτή η μαύρη τρύπα έχει μάζα περίπου 4 εκατομμύρια ηλιακές μάζες

Η αλληλουχία θεωρίας και παρατηρήσεων

 Η συμφωνία μεταξύ των μετρήσεων των δύο ομάδων ήταν εξαιρετική και οδήγησε στο συμπέρασμα ότι η μαύρη τρύπα στο κέντρο του γαλαξία μας πρέπει να είναι ισοδύναμη με περίπου 4 εκατομμύρια ηλιακές μάζες που καταλαμβάνει μια περιοχή όσο μέγεθος του ηλιακού μας συστήματος.

Σύντομα θα κοιτάξουμε απευθείας στην άβυσσο του Τοξότη A *. Όπως ακριβώς έγινε μόλις πριν από ένα χρόνο από το δίκτυο τηλεσκοπίων Event Horizon που απεικόνισε το περιβάλλον της επίσης τεράστιας μαύρης τρύπας στο κέντρο του γαλαξία Messier 87 (M87), – σε απόσταση 55 εκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη.

To μέγεθος του ηλιακού μας συστήματος σε σύγκριση με την τερατώδη μαύρη τρύπα στον γαλαξία M87. H μαύρη τρύπα στο κέντρο του Γαλαξία μας είναι μικρότερη – έχει μέγεθος όσο το ηλιακό μας σύστημα.

Ο μαύρος πυρήνας του M87 είναι γιγαντιαίος, πάνω από χίλιες φορές βαρύτερος από αυτόν του Τοξότη Α *.

Οι συγκρούσεις των μαύρων τρυπών που προκάλεσαν τα βαρυτικά κύματα που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα είχαν πάρα πολύ μικρότερες μάζες. Όπως οι μαύρες τρύπες, έτσι και τα βαρυτικά κύματα πριν ανιχνευθούν από το LIGO το 2015 (Βραβείο Νόμπελ Φυσικής, 2017) υπήρχαν μόνο ως θεωρητικοί υπολογισμοί της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν.

Αυτό που δεν ξέρουμε

Ο Roger Penrose έδειξε ότι οι μαύρες τρύπες είναι άμεση συνέπεια της γενικής θεωρίας της σχετικότητας αλλά, στην απείρως ισχυρή βαρύτητα της μοναδικότητας (singularity), αυτή η θεωρία παύει να ισχύει. Η θεωρητική φυσική εδώ και πάρα πολλά χρόνια αγωνίζεται να διατυπώσει μια νέα θεωρία, την κβαντική βαρύτητα, η οποία συνδέει τους δύο πυλώνες της φυσικής, την θεωρία της σχετικότητας και την κβαντική μηχανική, οι οποίες συναντώνται στο ακραίο εσωτερικό των μαύρων οπών.

Ταυτόχρονα, οι παρατηρήσεις πλησιάζουν όλο και πιο κοντά τις μαύρες τρύπες. Η πρωτοποριακή έρευνα του Reinhard Genzel και της Andrea Ghez άνοιξε το δρόμο για νέους ελέγχους της γενικής θεωρίας της σχετικότητας και των αλλόκοτων προβλέψεών της. Πιθανότατα, αυτές οι μετρήσεις θα είναι επίσης σε θέση να αναδείξουν ενδείξεις για νέες θεωρητικές ιδέες.

Το σύμπαν έχει πολλά μυστικά και εκπλήξεις που πρέπει να ανακαλυφθούν, αφού η επιστήμη της Φυσικής μας απέδειξε ότι η πραγματικότητα ξεπερνά και την πιο τρελή ανθρώπινη φαντασία.

 

διαβάστε περισσότερα ΕΔΩ: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/press-release/