Το Chandra λύνει το παράδοξο της ακτινοβολίας των μαύρων οπών

Πηγή: Chandra NASA, 21 Ιουνίου 2006

Οι μαύρες τρύπες φωτίζουν το σύμπαν και οι αστρονόμοι μπορεί τελικά να μάθουν το πώς αυτό γίνεται. Τα νέα στοιχεία από το παρατηρητήριο των ακτίνων X Chandra παρουσιάζουν για πρώτη φορά ότι τα ισχυρά μαγνητικά πεδία είναι το κλειδί σε αυτό το λαμπρό και τρομακτική φως που παρουσιάζουν.

Υπολογίζεται ότι μέχρι το ένα τέταρτο της ακτινοβολίας στον κόσμο που εκπέμπεται από την εποχή του big bang προέρχεται από το υλικό που πέφτει προς τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, συμπεριλαμβανομένων και εκείνων που τροφοδοτούν τα κβάζαρ, τα φωτεινότερα γνωστά αντικείμενα. Για δεκαετίες, οι επιστήμονες έχουν αγωνιστεί να καταλάβουν πώς οι μαύρες τρύπες, τα σκοτεινότερα αντικείμενα στον κόσμο, μπορούν να είναι υπεύθυνες για τέτοια καταπληκτικά ποσά ακτινοβολίας.

Τα νέα στοιχεία από το Chandra δίνουν την πρώτη σαφή εξήγηση για αυτό που ευθύνεται σε αυτήν την διαδικασία: τα μαγνητικά πεδία. Το Chandra παρατήρησε ένα δυαδικό σύστημα μιας μαύρης τρύπας στο Γαλαξία μας, γνωστό ως GRO J1655-40 (ή J1655 για συντομία), όπου μια μαύρη τρύπα τραβούσε υλικό από το συνοδό αστέρι του προς έναν δίσκο.

"Από τα διαγαλαξιακά μοντέλα μόνο το J1655 είναι στη γειτονιά μας, έτσι μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε ως πρότυπο κλίμακας για να καταλάβουμε πώς λειτουργούν όλες οι μαύρες τρύπες, συμπεριλαμβανομένων και των μαύρων οπών - τέρατα που βρίσκονται στα κβάζαρ", τόνισε ο Jon Miller του πανεπιστημίου του Μίτσιγκαν. Η εργασία του για αυτά τα αποτελέσματα εμφανίζεται στο Nature.

Η βαρύτητα δεν είναι από μόνη της αρκετή για να αναγκάσει το αέριο, σε έναν δίσκο γύρω από μια μαύρη τρύπα, να χάσει ενέργεια και να πέσει επάνω στη μαύρη τρύπα με τα ρυθμό που απαιτείται από τις παρατηρήσεις. Το αέριο πρέπει να χάσει κάποια από την τροχιακή στροφορμή του, είτε μέσω της τριβής είτε ενός ανέμου, προτού να μπορέσει να κινηθεί σπειροειδώς προς το εσωτερικό. Χωρίς τέτοια αποτελέσματα, η ύλη θα μπορούσε να παραμείνει σε τροχιά γύρω από μια μαύρη τρύπα για έναν πολύ μεγάλο χρόνο.

Οι επιστήμονες έχουν από καιρό την άποψη ότι η μαγνητική αναταραχή θα μπορούσε να παραγάγει την απαιτούμενη τριβή σε έναν αεριώδη δίσκο, και να οδηγήσει έτσι έναν άνεμο από το δίσκο να μεταφέρει γωνιακή στροφορμή προς τα έξω, κάτι που θα επιτρέψει στο αέριο να πέσει προς το εσωτερικό.

Χρησιμοποιώντας το Chandra, ο Miller και η ομάδα του πήραν εκείνα τα κρίσιμα στοιχεία για το ρόλο των μαγνητικών δυνάμεων στη διαδικασία της προσαύξησης των μαύρων οπών. Το φάσμα των ακτίνων X, δηλαδή οι ακτίνες X σε διαφορετικές ενέργειες, παρουσίασε την ταχύτητα και την πυκνότητα του ανέμου αυτού από το δίσκο του J1655, κάτι που  αντιστοιχούσε στις προβλέψεις της προσομοίωσης για τους ανέμους που μεταφέρονταν από τα μαγνητικά πεδία. Το φασματικό δακτυλικό αποτύπωμα απόκλεισε επίσης και τις δύο άλλες σημαντικές ανταγωνιστικές θεωρίες για την παρουσία των ανέμων, που οδηγήθηκαν από τα μαγνητικά πεδία.

"Το 1973, οι θεωρητικοί είχαν την ιδέα ότι τα μαγνητικά πεδία θα μπορούσαν να οδηγήσουν στην παραγωγή του φωτός από το αέριο που πέφτει πάνω στις μαύρες τρύπες", αναφέρει ο ομο-συντάκτης της έκθεσης John Raymond του Κέντρου για την Αστροφυσική Χάρβαρντ στο Καίμπριτζ. "Τώρα, πάνω από 30 χρόνια αργότερα, μπορούμε τελικά να έχουμε τα πειστικά στοιχεία εκείνης της άποψης".

Αυτή η βαθύτερη κατανόηση για το πώς οι μαύρες τρύπες αυξάνουν σε ύλη διδάσκει επίσης τους αστρονόμους και για άλλες ιδιότητες των μαύρων οπών, συμπεριλαμβανομένου και το πως αυξάνονται.

"Ακριβώς όπως ένας γιατρός θέλει να καταλάβει τις αιτίες μιας ασθένειας και όχι μόνο τα συμπτώματα, οι αστρονόμοι προσπαθούν να καταλάβουν ποια φαινόμενα αίτια βλέπουν στον Κόσμο", τονίζει ένας άλλος συντάκτης, ο Danny Steeghs, επίσης του Χάρβαρντ. "Κατανοώντας τι κάνει την ενέργεια της ύλης να απελευθερώνεται καθώς αυτή πέφτει πάνω στις μαύρες τρύπες, μπορούμε επίσης να μάθουμε το πώς η ύλη πέφτει πάνω σε άλλα σημαντικά αντικείμενα."

Εκτός από τους δίσκους προσαύξησης γύρω από τις μαύρες τρύπες, τα μαγνητικά πεδία μπορούν να διαδραματίσουν έναν σημαντικό ρόλο στους δίσκους που ανιχνεύονται γύρω από τα νέα αστέρια, σαν τον ήλιο μας, εκεί όπου διαμορφώνονται οι πλανήτες, καθώς επίσης και εξαιρετικής πυκνότητας αντικείμενα, τα αστέρια νετρονίων. 

Στο δυαδικό σύστημα J1655 η μαύρη τρύπα που φιλοξενείται έχει 7-πλάσια μάζα από τον ήλιο, και πάνω της πέφτει ύλη από ένα κανονικό άστρο με διπλάσια ηλιακή μάζα. Στο κάτω μέρος είναι το φάσμα των λαμπρών ακτίνων-Χ, που έδειξε να παράγεται από απορρόφηση πολλών ατόμων - από οξυγόνο έως το νικέλιο. Η ανάλυση έδειξε τον ισχυρό ιονισμό των ατόμων ενώ κινούνται σαν άνεμος με υψηλή ταχύτητα από τη μαύρη τρύπα. Η κίνηση του ιονισμένου ανέμου δημιουργεί τα ταραχώδη μαγνητικά πεδία, που ασκούν μαγνητικές δυνάμεις τριβής στο αέριο. 

Το φάσμα δείχνει ότι οι στροβιλώδεις άνεμοι του αερίου έχουν θερμοκρασία πολλών εκατομμυρίων βαθμών καθώς στροβιλίζονται γύρω από τη μαύρη τρύπα. Όπως η εικόνα δείχνει, ένα μεγάλο μέρος του καυτού αερίου κινείται σπειροειδώς προς τα μέσα προς τη μαύρη τρύπα, αλλά περίπου το 30% φεύγει μακριά, προς τα έξω.

Η θερμοκρασία και η ένταση των ανέμων υπονοούν ότι πρέπει να υπάρχουν ισχυρά μαγνητικά πεδία. Αυτά τα μαγνητικά πεδία, πιθανά μεταφέρονται από το ιονισμένο αέριο που ρέει από το συνοδό άστρο, δημιουργώντας μια μαγνητική αναταραχή που παράγει την τριβή στους αεριώδεις δίσκους και μετακινεί ανέμους από το δίσκο, ενώ μεταφέρουν την γωνιακή στροφορμή προς τα έξω καθώς το αέριο πέφτει προς το εσωτερικό. Η μαγνητική τριβή θερμαίνει επίσης το αέριο στο εσωτερικό μέρος του δίσκου σε τέτοιες θερμοκρασίες που εκπέμπονται ακτίνες Χ.

Τα μαγνητικά πεδία εξάλλου παίζουν ρόλο όχι μόνο στα δυαδικά συστήματα με μαύρες τρύπες αλλά και στα κβάζαρ, όπως και στους δίσκους γύρω από νεαρά άστρα.