Τρεις μαύρες τρύπες, μία γιγάντια σύγκρουση: Το σπάνιο εύρημα του James Webb

Τρεις γιγάντιες μαύρες τρύπες έχουν εντοπιστεί να αλληλεπιδρούν βαρυτικά σε έναν εξαιρετικά μακρινό γαλαξία, σχηματίζοντας ένα σπάνιο κοσμικό σύστημα που ενδέχεται, σε βάθος χρόνου, να οδηγήσει σε διαδοχικές συγχωνεύσεις και στη δημιουργία μιας ακόμη μεγαλύτερης υπερμεγέθους μαύρης τρύπας.

Το σύστημα βρίσκεται σε τόσο μεγάλη απόσταση από τη Γη, ώστε το φως του χρειάστηκε περίπου 12,5 δισεκατομμύρια χρόνια για να φτάσει μέχρι εμάς. Οι αστρονόμοι, επομένως, παρατηρούν τον γαλαξία όπως ήταν λιγότερο από 1,3 δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Η ανακάλυψη θεωρείται ιδιαίτερα σημαντική, καθώς ενισχύει την υπόθεση ότι οι επαναλαμβανόμενες συγχωνεύσεις γαλαξιών και μαύρων τρυπών αποτέλεσαν έναν από τους βασικούς μηχανισμούς μέσω των οποίων δημιουργήθηκαν πολύ γρήγορα τεράστιες μαύρες τρύπες στο πρώιμο Σύμπαν.

«Αυτή είναι η πρώτη ένδειξη για την ύπαρξη τριών ενεργών μαύρων τρυπών μέσα στον ίδιο γαλαξία στο μακρινό Σύμπαν», δήλωσε η Χάνα Ύμπλερ, αστρονόμος στο Ινστιτούτο Εξωγήινης Φυσικής Μαξ Πλανκ στη Γερμανία και επικεφαλής της μελέτης.

Η ίδια εξήγησε ότι το εύρημα δείχνει πόσο αποτελεσματικές ήταν οι διαδικασίες στο νεαρό Σύμπαν στο να φέρνουν γιγάντιες μαύρες τρύπες σε πολύ μικρές αποστάσεις μεταξύ τους, δημιουργώντας τις κατάλληλες συνθήκες για συγχωνεύσεις τεράστιων μαζών.

Τέτοιου είδους γεγονότα αποτελούν και έναν από τους σημαντικότερους στόχους για τα μελλοντικά διαστημικά παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων, τα οποία αναμένεται να μπορούν να καταγράφουν τις βαρυτικές «ρυτιδώσεις» που δημιουργούνται όταν υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες συγκρούονται και συγχωνεύονται.

Τρεις μαύρες τρύπες σε έναν γαλαξία 12,5 δισ. έτη φωτός μακριά

Ο γαλαξίας στον οποίο εντοπίστηκε το σύστημα έχει την ονομασία J0148-4214 και βρίσκεται σε ερυθρή μετατόπιση 5,0167.

Η τεράστια απόστασή του δεν επέτρεψε στο διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb να παρατηρήσει άμεσα τις ίδιες τις μαύρες τρύπες. Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν αντ’ αυτού το όργανο NIRSpec του JWST και συγκεκριμένα τη δυνατότητα ολοκληρωμένου πεδίου φασματοσκοπίας.

Το όργανο κατέγραψε την κίνηση του αερίου υδρογόνου γύρω από τα τρία αντικείμενα. Το αέριο περιστρέφεται με εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες μέσα στους δίσκους προσαύξησης που περιβάλλουν τις μαύρες τρύπες και προδίδει την παρουσία τους.

Ο Τζοβάνι Ματσολάρι, επίσης από το Ινστιτούτο Εξωγήινης Φυσικής Μαξ Πλανκ, σημείωσε ότι τα δεδομένα του James Webb επέτρεψαν στους ερευνητές να υπολογίσουν όχι μόνο την ύπαρξη των τριών αντικειμένων, αλλά και τις μάζες τους, τον ρυθμό με τον οποίο απορροφούν ύλη και τη συνολική αστρική μάζα του γαλαξία.

Η συνολική μάζα των άστρων στον J0148-4214 εκτιμάται ότι αντιστοιχεί περίπου σε 1,3 δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες. Ένα ασυνήθιστα μεγάλο ποσοστό αυτής της συνολικής μάζας βρίσκεται συγκεντρωμένο στις τρεις μαύρες τρύπες.

Οι δύο από αυτές βρίσκονται κοντά στο κέντρο του γαλαξία και απέχουν μεταξύ τους περίπου 620 έτη φωτός.

Η μεγαλύτερη είναι πραγματικό κοσμικό μεγαθήριο, με μάζα που υπολογίζεται περίπου 80 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ήλιου.

Δίπλα της βρίσκεται μια πολύ μικρότερη μαύρη τρύπα, περίπου 600.000 ηλιακών μαζών.

Παρά το σημαντικά μικρότερο μέγεθός της, η δεύτερη μαύρη τρύπα αναπτύσσεται με εξαιρετικά γρήγορο ρυθμό, απορροφώντας αέριο σε επίπεδα που φαίνεται να ξεπερνούν το λεγόμενο όριο Eddington.

Το συγκεκριμένο όριο περιγράφει θεωρητικά τη μέγιστη ταχύτητα με την οποία μια μαύρη τρύπα μπορεί να συσσωρεύει ύλη για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Όταν η εισροή ύλης ξεπερνά αυτό το επίπεδο, ο δίσκος προσαύξησης γίνεται εξαιρετικά πυκνός και θερμός. Η ακτινοβολία που παράγεται μπορεί να ασκήσει τόσο ισχυρή πίεση ώστε να απομακρύνει μέρος της ύλης, περιορίζοντας τελικά τον ρυθμό περαιτέρω ανάπτυξης.

Για τον λόγο αυτό οι επιστήμονες θεωρούν ότι η μαύρη τρύπα των 600.000 ηλιακών μαζών δεν θα μπορεί να συνεχίσει επ’ αόριστον να αναπτύσσεται με τον σημερινό εντυπωσιακό ρυθμό της.

Η τρίτη μαύρη τρύπα βρίσκεται πολύ πιο μακριά από το κέντρο του γαλαξία, σε απόσταση περίπου 5.500 ετών φωτός.

Η μάζα της υπολογίζεται περίπου στα δύο εκατομμύρια ηλιακές μάζες, δηλαδή περίπου στο μισό της μάζας του Τοξότη A*, της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας που βρίσκεται στο κέντρο του δικού μας Γαλαξία.

Οι ερευνητές θεωρούν ότι τουλάχιστον αυτή η τρίτη μαύρη τρύπα, και πιθανότατα και η μικρότερη από τις δύο κεντρικές, έφτασαν στον J0148-4214 μέσω συγχωνεύσεων με άλλους γαλαξίες.

Ο Ρομπέρτο Μαϊολίνο από το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, μέλος της ερευνητικής ομάδας, χαρακτήρισε τα αποτελέσματα εξαιρετικά σημαντικά, καθώς ενισχύουν την άποψη ότι οι συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών μπορούν να αποτελέσουν έναν πολύ γρήγορο μηχανισμό αύξησης της μάζας τους.

Το συγκεκριμένο πρόβλημα απασχολεί εδώ και χρόνια την αστρονομία, καθώς έχουν παρατηρηθεί υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες σε εποχές του Σύμπαντος τόσο πρώιμες, ώστε δεν είναι πάντα εύκολο να εξηγηθεί πώς πρόλαβαν να αποκτήσουν τόσο τεράστιες μάζες μόνο μέσω της σταδιακής απορρόφησης αερίου.

Οι διαδοχικές συγχωνεύσεις προσφέρουν μία πιθανή λύση σε αυτό το κοσμικό αίνιγμα, αφού δύο ή περισσότερες μαύρες τρύπες μπορούν να ενώσουν γρήγορα τις μάζες τους.

Το «πρόβλημα των τριών σωμάτων» και το ενδεχόμενο μιας κοσμικής εκτόξευσης

Οι συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών προκαλούν βαρυτικά κύματα, δηλαδή διαταραχές στον χωροχρόνο που διαδίδονται στο Σύμπαν.

Σήμερα εγκαταστάσεις όπως το LIGO στις Ηνωμένες Πολιτείες, το Virgo στην Ιταλία και το KAGRA στην Ιαπωνία έχουν τη δυνατότητα να καταγράφουν κυρίως βαρυτικά κύματα υψηλότερης συχνότητας, τα οποία παράγονται από συγχωνεύσεις μικρότερων μαύρων τρυπών αστρικής μάζας.

Πρόκειται για αντικείμενα που έχουν δημιουργηθεί συνήθως μετά την κατάρρευση πολύ μεγάλων άστρων και βρίσκονται σε εντελώς διαφορετική κλίμακα από τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στο κέντρο των γαλαξιών.

Οι συγχωνεύσεις αντικειμένων με εκατομμύρια ή δεκάδες εκατομμύρια ηλιακές μάζες παράγουν βαρυτικά κύματα πολύ χαμηλότερης συχνότητας και πολύ μεγαλύτερου μήκους κύματος.

Για την ανίχνευσή τους απαιτείται ένα παρατηρητήριο στο Διάστημα, καθώς οι απαιτούμενες αποστάσεις μέτρησης είναι της τάξης εκατομμυρίων χιλιομέτρων.

Για αυτόν τον σκοπό ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος προετοιμάζει την αποστολή LISA – Laser Interferometer Space Antenna, η οποία, εφόσον τηρηθεί ο προγραμματισμός, αναμένεται να εκτοξευθεί στα μέσα της δεκαετίας του 2030.

Το LISA θα αποτελείται από τρία διαστημόπλοια που θα σχηματίζουν ένα τεράστιο τρίγωνο στο Διάστημα. Κάθε πλευρά του τριγώνου θα έχει μήκος περίπου 2,5 εκατομμύρια χιλιόμετρα.

Τα τρία σκάφη θα ανταλλάσσουν μεταξύ τους ακτίνες λέιζερ και θα αναζητούν απειροελάχιστες αλλαγές στον χρόνο που χρειάζεται το φως για να διανύσει την απόσταση μεταξύ τους.

Μια τέτοια μεταβολή θα μπορούσε να αποτελεί ένδειξη ότι ένα μεγάλης κλίμακας βαρυτικό κύμα πέρασε μέσα από το σύστημα.

Αν οι μαύρες τρύπες στον J0148-4214 συγχωνευθούν, ένα ανάλογο γεγονός θα μπορούσε θεωρητικά να δημιουργήσει ακριβώς το είδος των βαρυτικών κυμάτων για το οποίο σχεδιάζεται το LISA.

Υπάρχει όμως μια σημαντική αβεβαιότητα.

Οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν αν και οι τρεις μαύρες τρύπες πρόκειται τελικά να συγκρουστούν μεταξύ τους.

Η τρίτη, εκείνη που βρίσκεται περίπου 5.500 έτη φωτός από το κέντρο, μπορεί στην πραγματικότητα να απομακρύνεται από τον γαλαξία και να μην κατευθύνεται προς τις άλλες δύο.

Εδώ εμφανίζεται το κλασικό «πρόβλημα των τριών σωμάτων», δηλαδή η εξαιρετικά σύνθετη βαρυτική συμπεριφορά που προκύπτει όταν τρία μεγάλα αντικείμενα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.

Ένα πιθανό σενάριο είναι οι δύο μικρότερες μαύρες τρύπες να εισήλθαν στον J0148-4214 ως ήδη δεμένο δυαδικό σύστημα.

Όταν πλησίασαν τη γιγάντια μαύρη τρύπα των 80 εκατομμυρίων ηλιακών μαζών, θα μπορούσε να έχει συμβεί μια βαρυτική ανταλλαγή.

Η υπερμεγέθης μαύρη τρύπα ίσως «αιχμαλώτισε» εκείνη των 600.000 ηλιακών μαζών, ενώ η μαύρη τρύπα των δύο εκατομμυρίων ηλιακών μαζών πήρε μεγάλο μέρος της ορμής του συστήματος και εκτινάχθηκε προς τα έξω με πολύ υψηλή ταχύτητα.

Παρόμοιοι βαρυτικοί μηχανισμοί είναι γνωστοί και στον Γαλαξία μας.

Τα λεγόμενα άστρα υπερυψηλής ταχύτητας θεωρείται ότι σε ορισμένες περιπτώσεις προέρχονταν από δυαδικά αστρικά συστήματα που πλησίασαν υπερβολικά τον Τοξότη A*.

Η τεράστια βαρυτική δύναμη της κεντρικής μαύρης τρύπας μπορεί να αιχμαλωτίσει το ένα άστρο και ταυτόχρονα να εκτοξεύσει το δεύτερο με τόσο μεγάλη ταχύτητα ώστε να κινηθεί προς τα εξωτερικά όρια του Γαλαξία.

Κάτι αντίστοιχο θα μπορούσε να έχει συμβεί και στον J0148-4214, μόνο που στην περίπτωση αυτή τα αντικείμενα δεν είναι άστρα αλλά μαύρες τρύπες εκατοντάδων χιλιάδων ή εκατομμυρίων ηλιακών μαζών.

Προς το παρόν, οι ερευνητές δεν διαθέτουν τρόπο να μετρήσουν με την απαιτούμενη ακρίβεια την κατεύθυνση της κίνησης της τρίτης μαύρης τρύπας.

Δεν μπορούν επομένως να γνωρίζουν αν θα επιστρέψει προς το κέντρο του γαλαξία και θα συμμετάσχει σε μελλοντική συγχώνευση ή αν έχει ήδη αποκτήσει αρκετή ταχύτητα ώστε να εγκαταλείψει οριστικά τον J0148-4214.

Εάν το δεύτερο σενάριο αποδειχθεί σωστό, τότε οι συνέπειες είναι εντυπωσιακές.

Η συγκεκριμένη μαύρη τρύπα μπορεί να εκτινάχθηκε στο διαγαλαξιακό διάστημα πριν από 12,5 δισεκατομμύρια χρόνια και να συνεχίζει ακόμη και σήμερα το μοναχικό ταξίδι της, αόρατη και αποκομμένη από οποιονδήποτε γαλαξία.

Η ανακάλυψη των τριών ενεργών μαύρων τρυπών στον J0148-4214 ανοίγει έτσι ένα νέο παράθυρο στην κατανόηση του πρώιμου Σύμπαντος. Δείχνει ότι οι πρώτοι γαλαξίες μπορεί να ήταν πολύ πιο δυναμικά και βίαια συστήματα από όσο θεωρούνταν μέχρι σήμερα, με συνεχείς συγχωνεύσεις που έφερναν τεράστιες μαύρες τρύπες σε πολύ μικρές αποστάσεις.

Είτε οι τρεις μαύρες τρύπες καταλήξουν τελικά σε μια γιγάντια συγχώνευση είτε μία από αυτές εκτιναχθεί για πάντα στο διαγαλαξιακό σκοτάδι, το σύστημα J0148-4214 προσφέρει στους επιστήμονες ένα σπάνιο στιγμιότυπο των μηχανισμών που διαμόρφωσαν τα μεγαλύτερα κοσμικά τέρατα στα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια της ιστορίας του Σύμπαντος.