Μια μαύρη τρύπα περιστρέφεται με ταχύτητα ρεκόρ

Πηγή:  NewScientist, 20 Νοεμβρίου 2006

Σύμφωνα με μια νέα ανάλυση μια μαύρη τρύπα βρέθηκε να περιστρέφεται γύρω από τον άξονα της γρηγορότερα από κάθε άλλη πριν,  950 φορές το δευτερόλεπτο. Η ανακάλυψη υποστηρίζει την ιδέα ότι μόνο τα άστρα που περιστρέφονται γρήγορα μπορούν να καταρρεύσουν για να δημιουργήσουν τις ισχυρές εκρήξεις που ονομάζονται μακροχρόνιες εκρήξεις ακτίνων γάμμα.

Ο ρυθμός περιστροφής μιας μαύρης οπής είναι η μία από τις δύο κύριες ποσότητες που την περιγράφουν, ενώ η δεύτερη είναι η μάζα της που μπορεί να υπολογιστεί σχετικά πιο εύκολα. Αντίθετα ο υπολογισμός του ρυθμού περιστροφής ήταν μέχρι τώρα πολύ πιο δύσκολος. Μέχρι σήμερα έχουμε εντοπίσει δεκάδες μαύρες τρύπες σε διπλά συστήματα εκπομπής ακτίνων X, στα οποία ο αόρατος σύντροφος ενός άστρου μας αποκαλύπτεται από το γεγονός ότι οι τροχιές του ενός γύρω από το άλλο καθορίζονται από τις βαρυτικές δυνάμεις που υφίστανται μεταξύ τους.

Για να μετρήσουν την περιστροφή των μαύρων οπών, οι αστρονόμοι μετρούν το μέγεθος των δίσκων της ύλης που στρέφονται γύρω τους. Μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα σέρνει το χωρόχρονο γύρω της καθώς αυτή περιστρέφεται, ωθώντας σε αύξηση την ταχύτητα της ύλης, που είναι σε τροχιά γύρω της. Το γεγονός αυτό επιτρέπει στην ύλη να μπει σε μια τροχιά πιο κοντά στη μαύρη τρύπα, χωρίς να κινδυνεύει να απορροφηθεί στην ίδια τη μαύρη τρύπα - έτσι όσο γρηγορότερες είναι οι περιστροφές των μαύρων οπών, τόσο πιο κοντά στη μαύρη τρύπα βρίσκεται η ύλη γύρω από αυτήν.

Αλλά η πιο εσωτερική άκρη αυτού του δίσκου των υλικών είναι πάρα πολύ μικρή για να το δούμε άμεσα. Έτσι, οι προηγούμενες μετρήσεις της περιστροφής των μαύρων οπών έπρεπε να κάνουν υποθέσεις για ιδιότητες, όπως η κλίση του δίσκου στην ευθεία του με τη Γη.

Τώρα όμως αστρονόμοι έχουν μετρήσει την περιστροφή μιας μαύρης τρύπας με μια νέα μέθοδο που απαιτεί λιγότερες υποθέσεις. Η ομάδα καθοδηγήθηκε από τον Jeffrey McClintock του Σμιθσονιτικού Κέντρου για την Αστροφυσική στο Χάρβαρντ της Μασαχουσέτης.

Καυτό αέριο

Η ομάδα του McClintock εξέτασε μια μαύρη τρύπα στο Γαλαξία μας, που ονομάζεται GRS 1915+105, που βρίσκεται περίπου 36.000 έτη φωτός μακριά. Η μάζα της είναι 14 φορές τη μάζα του ήλιου μας. Η ύλη (που προέρχεται από ένα συνοδό αστέρι) θερμαίνεται περισσότερο καθώς φτάνει πιο κοντά στη μαύρη τρύπα, κι έτσι η ομάδα χρησιμοποίησε τις παρατηρήσεις από τον εξερευνητή ακτίνων X Rossi (RXTE) της NASA για να μετρήσει τη θερμοκρασία του αερίου στο δίσκο.

Κι είδαν ότι η ενδότατη σταθερή τροχιά της ύλης γύρω από το σύστημα GRS 1915 είναι τόσο κοντά, που η μαύρη τρύπα θα πρέπει να περιστρέφεται σχεδόν 1000 φορές ανά δευτερόλεπτο - την πιο γρήγορη περιστροφή που καταγράφηκε ποτέ.

"Αυτή η εφαρμογή είναι πράγματι αρκετά σημαντική στην κατανόηση των μαύρων οπών και της φυσικής τους", λέει ο McClintock. "Είναι το πιο συναρπαστικό πράγμα που έχω κάνει."

Στην περίπτωση του GRS 1915 ο αόρατος συνοδός είναι μια από τις ισχυρότερες πηγές ακτίνων X στον ουρανό. Οι ακτίνες X που εκπέμπονται από ένα τέτοιο ζευγάρι είναι απόδειξη μιας πράξης κοσμικού κανιβαλισμού, αφού η τεράστια δύναμη της βαρύτητας της μαύρης τρύπας ξεσκίζει κυριολεκτικά τα εξωτερικά αέρια στρώματα του συντρόφου του. Καθώς τα αέρια αυτά στρώματα καταβαραθρώνονται σπειροειδώς προς την καρδιά της μαύρης τρύπας, τα άτομα της ύλης επιταχύνονται και συγκρούονται μεταξύ τους με τεράστιες ταχύτητες εκπέμποντας μεγάλες ποσότητες ακτίνων X λίγο πριν χαθούν για πάντα.

Αλλά μια δεύτερη μελέτη της GRS 1915 προτείνει ότι η περιστροφή θα μπορούσε να είναι μικρότερη, σύμφωνα με μια ανάλυση των ίδιων στοιχείων του RXTE από τον Matthew Middleton του πανεπιστημίου Durham.

Αστρική κατάρρευση

Ο Chris Done, ένα μέλος της τελευταίας ομάδας του Middleton, λέει ότι η ανάλυσή τους δείχνει πως η περιστροφή είναι "σημαντική αλλά όχι ακραία". Οι ίδιοι υποστηρίζουν ότι οι ακτίνες X που σκεδάζονται από τα ηλεκτρόνια στο δίσκο κάνουν τις θερμοκρασίες να φαίνονται υψηλότερες από όσο είναι πραγματικά. Κι αυτό δίνει την παραίσθηση ενός δίσκου ποιο κοντά στη μαύρη τρύπα, και επομένως μια γρηγορότερη περιστροφή για τη μαύρη τρύπα.

Αλλά εάν η πρώτη ομάδα του McClintock στο Χάρβαρντ είναι σωστή, τότε η μαύρη τρύπα περιστρέφεται στο 98% του θεωρητικού μέγιστου ρυθμού, που υπολογίζεται από το πόσο γρήγορα τα αστέρια μπορούν να περιστραφούν προτού να καταρρεύσουν για να σχηματίσουν τις μαύρες τρύπες.

Η παρατήρηση αυτή προσφέρει υποστήριξη στην ιδέα ότι οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα - εφήμερες αλλά πολύ ισχυρές εκρήξεις - παράγονται από πολύ γρήγορα περιστρεφόμενα άστρα.

Σε αυτό το σενάριο, μια μαύρη τρύπα σχηματίζεται στο κέντρο ενός τέτοιου γρήγορου άστρου και κάποιο από το υπόλοιπο αστρικό υλικό σχηματίζει έναν δίσκο που κινείται σπειροειδώς προς τη μαύρη τρύπα.

Υψηλή περιστροφή

Η αλληλεπίδραση της μαύρης τρύπας και του δίσκου παράγει πίδακες, οι οποίες εκπέμπουν μεγάλα ποσά ακτίνων γάμμα. Αλλά το αστέρι πρέπει να στρέφεται πάρα πολύ γρήγορα όταν καταρρέει για να φτιάξει αυτόν τον δίσκο, και μερικοί αστρονόμοι έχουν εκφράσει την αμφιβολία τους αν τα αστέρια θα μπορούσαν να περιστρέφονται αρκετά γρήγορα σε αυτή τη φάση της ζωής τους.

Αλλά η νέα έρευνα μπορεί να σταματήσει μερικές από αυτές τις αμφιβολίες. "Αυτή μας λέει ότι μερικές φορές τα αστέρια βρίσκουν κάποια πορεία προς το θάνατο με μια τεράστια περιστροφή στο μέσον τους", λέει ο Stanford Woosley του πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στη Santa Cruz, που δεν είναι όμως στην ομάδα.

Ο Christopher Fryer του Εθνικού Εργαστηρίου Los Alamos, που δεν είναι επίσης στην ομάδα, συμφωνεί. Αναφέρει ότι είναι "ισχυρές αποδείξεις ότι η φύση μπορεί να δώσει υψηλούς ρυθμούς περιστροφής στα αστέρια για να παραγάγει εκρήξεις ακτίνων γάμμα".

Ο McClintock λέει ότι ελπίζει ότι η ανάλυση παρόμοιων παρατηρήσεων για άλλα συστήματα θα τους επιτρέψει να πάρουν, τους ρυθμούς περιστροφής για έξι μαύρες τρύπες μέσα στα δύο επόμενα χρόνια. "Πρόκειται να την εφαρμόσουμε όσο περισσότερο μπορούμε", συμπληρώνει.