1o, 2ο, 3ο

Εξελικτική ιδέα

Στα μέσα της δεκαετίας του '90 ερευνητές βρήκαν στοιχεία που υπαινίσσονταν ότι μια σημαντική μαύρη τρύπα στο κέντρο ενός γαλαξία σχετιζόταν με τη μορφή αυτού του γαλαξία. Ήταν τα πρώτα αποδεικτικά στοιχεία για την συνεξέλιξη. Και όπως δέχονται οι ειδικοί μόνο οι γαλαξίες με μια σφαιρική διόγκωση εμφανίζονται να εφοδιάζουν τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.

Ο Γαλαξίας μας είναι ένα καλό παράδειγμα αυτού του είδους με μια γαλαξιακή διόγκωση με άστρα στο κέντρο του.  Ο Γαλαξίας μας είναι μικρότερος από πολλούς γαλαξίες ενώ έχει και μια αντίστοιχα μικρότερη ογκώδη μαύρη τρύπα -- με μάζα κατά προσέγγιση 2,6 εκατομμύρια  φορές αυτή του ήλιου. Και είναι σχεδόν σίγουρο ότι κάποτε είχε σε μια φάση του κάποιο κβάζαρ.

Αλλά την εποχή εκείνη - μέσα της δεκαετίας του '90 - κανένας δεν ήταν σίγουρος για το πως ήταν οι κυρίαρχες μαύρες τρύπες. Η θεωρία και μερικές παρατηρήσεις έδειχναν ότι ήταν πιθανώς πανταχού παρόντες.

Φτάνοντας στο 2000, οι αστρονόμοι βρήκαν στέρεες αποδείξεις ότι οι μαύρες τρύπες κρύβονται βαθιά μέσα σε πολλούς και πιθανώς σε όλους τους γαλαξίες, που έχουν την κλασική κεντρική διόγκωση με άστρα. Μια προσεκτική ανάλυση έδειξε έναν άμεσο συσχετισμό μεταξύ της μάζας σε κάθε μαύρη τρύπα και της μορφής και του πεδίου της διόγκωσης, αλλά και του συνολικού μεγέθους ενός γαλαξία.

Από τότε άρχισε να μπαίνει ξανά στο προσκήνιο η  συνεξέλιξη των γαλαξιών και των υπερβολικά μεγάλων μαύρων οπών.

Εν συνεχεία το 2001, δύο ξεχωριστές ομάδες έδειξαν ότι πολλοί μικρότεροι γαλαξίες, που δεν είχαν διογκώσεις, δεν φαίνονταν να περιέχουν σημαντικές μαύρες τρύπες.

Κατά στο τέλος του 2002 σημαντικές μελέτες πρόσφεραν μια ανεξάρτητη επιβεβαίωση για το ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες μπορούν να αλλάξουν σημαντικά τη δομή και την εξέλιξη των γαλαξιών.

Υπάρχουν πολλές παραλλαγές στη βασική θεωρία της συνεξέλιξης. Κάθε παραλλαγή προσπαθεί να εξηγήσει ένα ενοχλητικό γεγονός: Πώς  500 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang γεννήθηκαν οι αόρατες σφαίρες της ύλης (μαύρες τρύπες), ενώ αρκετές από αυτές απέκτησαν μάζα ίση με ένα δισεκατομμύριο - ή και περισσότερο - ήλιους, καθοδηγώντας έτσι τη μορφή και τη σύσταση των στροβιλιζόμενων νεογέννητων αστεριών.

Μερικοί θεωρητικοί της συνεξέλιξης έχουν προτείνει το εξής σενάριο: μια τεράστια μαύρη τρύπα απλά καταρρέει από ένα προ-γαλαξιακό νέφος και χρησιμεύει σαν ένας μηχανισμός που μπορεί να καθοδηγήσει την περαιτέρω ανάπτυξη των γαλαξιών. Υπάρχουν δε βιώσιμες θεωρίες, που δεν έχουν αναιρεθεί ακόμα, ότι πρώτα μπαίνει σε λειτουργία η μαύρη τρύπα, ενώ άλλες ότι ο γαλαξίας είναι υπεύθυνος για το σχηματισμό μιας μαύρης τρύπας.

Πολλοί αστρονόμοι, μεταξύ αυτών και ο Martin Rees, δεν είναι πολύ σίγουροι εάν οι μαύρες τρύπες διαδραμάτισαν οποιοδήποτε ρόλο στο σχηματισμό των πρώτων γαλαξιών. Και αυτό φαίνεται στους πολύ μικρούς γαλαξίες όπου δεν μπορούν να σχηματιστούν μαύρες τρύπες. Άρα δεν είναι σίγουρο εάν υπάρχει σύνδεση μεταξύ των "μικρών" αστρικών οπών - που σχηματίζονται από την κατάρρευση των πολύ μεγάλων άστρων - και των πολύ μεγάλων οπών (με εκατομμύρια ηλιακές μάζες) που υπάρχουν στα κέντρα των γαλαξιών.

Η σκοτεινή ύλη

Μέχρι πρόσφατα, οι αστρονόμοι πίστευαν ότι η Γαλαξία Οδός των αρχαίων γεννήθηκε όταν ένα νέφος υδρογόνου και ηλίου άρχισε να συρρικνώνεται εξαιτίας του ίδιου του βάρους του, μερικές δεκάδες εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Με τη συρρίκνωση αυτή, δημιουργήθηκε ένας τεράστιος δίσκος από αέρια και σκόνη, μέσα στον οποίο σχηματίστηκαν δισεκατομμύρια άστρα και πλανήτες.

Αρχικά η θεωρία αυτή φαινόταν να εξηγεί γιατί ο Γαλαξίας μας είναι πεπλατυσμένος και γιατί σχεδόν όλα τα άστρα κινούνται με την ίδια φορά γύρω από το γαλαξιακό κέντρο - ωστόσο, γεννάει και πολλά ερωτήματα. Μετρώντας την ταχύτητα περιστροφής των άστρων σε συνάρτηση με την απόσταση τους από το γαλαξιακό κέντρο, οι αστρονόμοι μπορούν να υπολογίσουν τη βαρυτική δύναμη και τη μάζα που απαιτείται για συγκρατήσει τα άστρα αυτά στην τροχιά τους. Όμως, από τους υπολογισμούς προκύπτει ότι ο Γαλαξίας διαθέτει πολύ λίγη μάζα για να μπορεί να συγκρατήσει τον βίο του τον εαυτό.

Ήδη από το 1933, ο Ελβετός αστροφυσικός Fritz Zwicky απέδειξε ότι η ορατή ύλη στο γαλαξιακό υπερσμήνος της Κόμης αντιστοιχεί σε ένα ελάχιστο ποσοστό της συνολικής του μάζας, το μεγαλύτερο μέρος της οποίας δεν εκπέμπει ακτινοβολία και είναι αόρατο. Η παραδοχή της ύπαρξης αυτής της «σκοτεινής ύλης», όπως τη βάφτισε πρώτος ο Zwicky, είναι πλέον καθολική.

Μέχρι σήμερα έχουν προταθεί ποικίλα θεωρητικά πρότυπα για την εξέλιξη του Σύμπαντος και το σχηματισμό δομής σε αυτό, τα οποία βασίζονται στην ύπαρξη διαφορετικών μορφών σκοτεινής ύλης. Τα πρότυπα αυτά ελέγχονται, όταν οι προβλέψεις τους για το σύμπαν συγκρίνονται με τα δεδομένα των επιστημονικών παρατηρήσεων ή τα αποτελέσματα μελλοντικών πειραμάτων στο CERN και αλλού. Τέτοιες προβλέψεις, για παράδειγμα, αφορούσαν συγκεκριμένους σχηματισμούς στο λεγόμενο κοσμικό υπόβαθρο των μικροκυμάτων, το οποίο είναι ένα είδος δακτυλικού αποτυπώματος του νεογέννητου σύμπαντος 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Το 2003, ο δορυφόρος Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) επιβεβαίωσε πανηγυρικά τις προβλέψεις αυτές.

Η σκοτεινή ύλη μπορεί να μην έχει ανιχνευθεί ακόμα αλλά διαπερνά όλους τους γαλαξίες. Και είναι γνωστό ότι μια άλως - ή φωτοστέφανος - από σκοτεινή ύλη περιβάλλει το Γαλαξία μας. Ναι μεν δεν  αλληλεπιδρά με το φως αλλά έχει μεγάλη βαρυτική επίδραση, ενεργώντας ως αόρατη κόλλα για την συγκράτηση των γαλαξιών και τη μη διάλυση τους.

Τώρα, κάτω από το φως των νέων δεδομένων, η σκοτεινή ύλη λαμβάνεται υπόψη στα κύρια μοντέλα της συνεξέλιξης, αλλά μόνο γενικά. Μερικοί ερευνητές, εντούτοις, νομίζουν ότι η σκοτεινή ύλη, περισσότερο και από μια μαύρη τρύπα, συνδέεται σαφώς με τη γέννηση και την ανάπτυξη ενός γαλαξία.

Αρχές του 2003 δημοσιεύτηκαν τα πρώτα άμεσα στοιχεία για τους φωτοστεφάνους της σκοτεινής ύλης γύρω από τα πρώτα κβάζαρ. Και όπως δέχονται οι επιστήμονες, τα στοιχεία αυτά υποστηρίζουν τις θεμελιώδεις ιδέες της συνεξέλιξης. Όπως είναι επίσης σαφές ότι η σκοτεινή ύλη δεν αμφισβητείται σε καμιά θεωρία.

Η φυσικός Laura Ferrarese, που ανέλυσε αυτά τα ευρήματα της σκοτεινής ύλης, λέει ότι όλα δείχνουν μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα, τα αστέρια γύρω από αυτήν, και η άλως της σκοτεινής ύλης λειτουργούν από κοινού για να χτιστεί η δομή του γαλαξία. Αλλά βλέπει το ρόλο της σκοτεινής ύλης σαν τον σημαντικότερο γιατί υπάρχει συσχετισμός μεταξύ της μάζας της μαύρης τρύπας και της μάζας του φωτοστεφάνου της σκοτεινής ύλης, όχι απαραιτήτως η μάζα ο ίδιος του γαλαξία," είπε.

Μέσα σε αυτό το συγκεχυμένο πλαίσιο απόψεων και παρατηρήσεων οι θεωρητικοί πρέπει να εργαστούν σκληρά για να εξηγήσουν ένα δύσκολο θέμα: Κάπου μεταξύ 300 και 800 εκατομμυρίων ετών μετά τη Μεγάλη Έκρηξη,  γεννήθηκαν οι πρώτες μαύρες τρύπες με μάζα περισσότερη από 1 δισεκατομμύριο ήλιους.

Και προτού αποφασίσουμε αν υπάρχει συσχετισμός σε οποιαδήποτε εξελικτική γαλαξιακή διαδικασία πρέπει να εξετάσουμε αυτό: Μια μαύρη τρύπα κατέχει πολύ λιγότερο από το 1 τοις εκατό της συνολικής μάζας του Γαλαξία που φιλοξενείται. 

Το πρώτο φως στον Κοσμικό Μεσαίωνα

Η ιστορία των πρώτων μαύρων οπών -- που οδήγησαν στη δημιουργία αισθητών αντικειμένων -- είναι συνδεδεμένη με τον σχηματισμό των πρώτων - πρώτων άστρων. Η ανάπτυξη της σκέψης αυτής απαιτεί να πάμε στην πρώτη εποχή του σύμπαντος.

Όταν  γεννήθηκε το σύμπαν, δεν υπήρχε παρά υδρογόνο, ήλιο και λίγο λίθιο. Όλο αυτό το υλικό διατηρήθηκε για περίπου 300.000 χρόνια προτού να συμβεί τίποτα σημαντικό. Το αέριο συμπιέστηκε επίσης και επομένως έγινε πάρα πολύ καυτό, για να είναι σταθερό. Βαθμιαία, το σύμπαν επεκτάθηκε και ψύχθηκε τόσο ώστε το μίγμα των αερίων επανασυνδυάστηκε, με αποτέλεσμα να σταθεροποιεί σε μια ουδέτερη κατάσταση.

Το υδρογόνο ήταν ακόμα πάρα πολύ καυτό για να σχηματίσει αστέρια, γι αυτό και περίμενε υπομονετικά - επί 300 εκατομμύρια χρόνια - μέχρι να διασταλεί κι άλλο το σύμπαν και να φτάσει στην κατάλληλη θερμοκρασία. Μόλις έγινε αυτό, ξεχύθηκε το πρώτο φως που έσπασε το απόλυτο σκοτάδι του Κόσμου - το Κοσμικό Ξημέρωμα.  Ήταν τότε που ξαφνικά άρχισαν τα πρώτα αστέρια να λάμπουν μέσω της εναπομείνουσας αρχέγονης ομίχλης. Απομεινάρια της ακτινοβολίας αυτής αποτελεί η Μικροκυματική Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου που ανιχνεύτηκε πριν λίγες δεκαετίες.

Αλλά για τα επόμενα 500 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang συναντούμε τον Κοσμικό Μεσαίωνα της κοσμολογίας.

Οι πρώτες μαύρες τρύπες

Το 1916, ο Γερμανός αστρονόμος Karl Schwartzschild κατέληξε σε μία λύση των εξισώσεων της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Einstein που αντιστοιχούσε σε έναν άγνωστο μέχρι τότε τύπο κοσμικών αντικειμένων, τα οποία, αρκετά χρόνια αργότερα, ο μεγάλος θεωρητικός φυσικός John Wheeler ονόμασε μαύρες τρύπες. Οι μαύρες τρύπες διαθέτουν τόσο ισχυρά βαρυτικά πεδία, ώστε τίποτα -ούτε καν το φως- να μην μπορεί να διαφύγει από την πανίσχυρη έλξη τους.

Γι' αυτό, οι μαύρες τρύπες σύντομα έγιναν σύμβολα του θανάτου και της καταστροφής στο σύμπαν. Αυτή η πεποίθηση ενισχύθηκε τη δεκαετία του 1930, όταν διατυπώθηκε η θεωρία ότι οι μαύρες τρύπες είναι κατάλοιπα άστρων με τεράστια πυκνότητα μάζας, που κατέρρευσαν βαρυτικά.

Πιο παλιά οι επιστήμονες πίστευαν ότι οι γαλαξίες διαμορφώνονται από κάποια μονολιθική κατάρρευση, στην οποία ένα γιγαντιαίο νέφος αερίου έπεσε ξαφνικά προς το εσωτερικό του. Η σύγχρονη άποψη - η λεγόμενη ιεραρχική συγχώνευση - είναι ότι φτιάνεται κομμάτι-κομμάτι κατά τη διάρκεια του χρόνου.  Και ότι οι αρχικοί κυματισμοί στο διάστημα δημιούργησαν κόμβους και νημάτια όχι μόνο τοπικά αλλά και σε μεγάλες περιοχές του διαστήματος. Μεμονωμένες δε μάζες αερίου κατέρρευσαν και έτσι γεννήθηκαν τα αστέρια.

Τα πρώτα αστέρια πρέπει να ήταν τεράστια, ίσως 200 φορές το βάρος του ήλιου μας ή και περισσότερο. Θα αποτελούνταν σχεδόν από καθαρό υδρογόνο -- το βασικό συστατικό της θερμοπυρηνικής σύντηξης, που κάνει να λάμπει ένα αστέρι.

Ξέρουμε ότι όσο πιο μεγάλο είναι ένα άστρο τόσο πιο νέο πεθαίνει. Μερικά επιζούν μόνο για 10 εκατομμύρια χρόνια (ο ήλιος για σύγκριση είναι 4,6 δισεκατομμυρίων ετών και βρίσκεται ακριβώς στο μέσον της ζωής του). Μετά το θάνατο των πρόωρων άστρων ακολουθεί μια κολοσσιαία έκρηξη, στέλνοντας βαρύτερα στοιχεία προς το διάστημα. Η υπόλοιπη ύλη καταρρέει. Μια μάζα ίση με πολλούς ήλιους μπορεί να καταλήξει σε μια σφαίρα όχι μεγαλύτερη από μια πόλη. Το αποτέλεσμα: μια αστρική μαύρη τρύπα. Αυτά τα αντικείμενα είναι τόσο πυκνά που τίποτα, ακόμα και το φως, δεν μπορεί να διαφύγει από τον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας.

Οι αστρικές μαύρες τρύπες δεν έχουν τόση μάζα όσο και οι γιγάντιες που κατοικούν στα κέντρα των γαλαξιών. Έχουν μάζα μερικές φορές αυτή του ήλιου. Αλλά στην αρχή οι μαύρες τρύπες μπορεί να ήταν και 100 φορές μεγαλύτερες από τον ήλιο.

Κατά τη διάρκεια όλων αυτών των δεκάδων και εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών, γεννιούνται ολοένα και περισσότερα αστέρια από τα συντρίμμια των πρώτων αστεριών. Αφού συγκεντρώθηκαν αρχικά σε ομάδες λίγων άστρων και αργότερα σε σμήνη πολλών χιλιάδων άστρων, άρχισαν να μοιάζουν και να συμπεριφέρονται σαν έναν υπο--γαλαξία. Μερικοί από αυτούς πιθανώς να φιλοξενούσαν κοντά στα κέντρα τους και μαύρες τρύπες.

Στο σημείο αυτό συνεχίζει η θεωρία. Η διαίσθηση προτείνει ότι πολλές από αυτές τις τεράστιες αστρικές μαύρες τρύπες απλώς συγχωνεύτηκαν, έως ότου αναπτύχθηκε ένα κεντρικό αντικείμενο με αρκετή μάζα για να οδηγήσει τη μορφή και τη μελλοντική ανάπτυξη του γαλαξία του. Και εάν αυτή η διαίσθηση είναι σωστή τότε ποιά μαύρη τρύπα έγινε το κέντρο;

Στην πραγματικότητα, κανένας δεν βεβαιώνει εάν οι πρώτες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες αναπτύχθηκαν από μια σειρά συγχωνεύσεων -- στην αρχή έχοντας μάζα μερικές δωδεκάδες ηλιακές μάζες μέχρι  να φτάσουν το ένα δισεκατομμύριο ηλιακές μάζες -- ή εάν κατέρρευσαν από κάποιο αρχικό νέφος αερίου που συμπυκνώθηκε.  Μερικοί αστροφυσικοί πιστεύουν το πρώτο σενάριο, αν και όλα είναι θεωρίες ακόμα. 

1o, 2ο, 3ο