Μαύρες τρύπες

Όταν ξεκινήσει η βαρυτική κατάρρευση ενός άστρου με μάζα μεγαλύτερη από 3,2 ηλιακές μάζες, τίποτα δεν μπορεί να τη σταματήσει. Τα εξωτερικά στρώματα του αστέρα συγκλίνουν προς το κέντρο του και η ύλη οδηγείται σε πλήρη σύνθλιψη. Παύει να είναι ύλη όπως τη γνωρίζουμε. Η μάζα του άστρου συγκεντρώνεται με ραγδαίους ρυθμούς σε όλο και μικρότερο χώρο και έτσι η πυκνότητα της ύλης τείνει να γίνει άπειρη.
Όταν η πυκνότητα αυτού του υπό κατάρρευση άστρου ξεπεράσει μια συγκεκριμένη τιμή τότε το βαρυτικό πεδίο γίνεται τόσο ισχυρό που καμπυλώνει τον χωρόχρονο με ασύλληπτη ένταση και πλέον τίποτα δεν μπορεί να ξεφύγει από αυτό, ούτε και το ίδιο το φως. Με άλλα λόγια, τότε το άστρο επειδή ακριβώς δεν εκπέμπει φως δεν είναι ορατό και ουσιαστικά μετατρέπεται σε ένα σκοτεινό αντικείμενο και καθίσταται πρακτικά αόρατο. Δίνει την αίσθηση μια κενής περιοχής μέσα στο χώρο εξ ου και η ονομασία «μαύρη τρύπα» ή «μελανή οπή». Η ονομασία αυτή δόθηκε από τον αμερικανό αστρονόμο Τζον 'Aρτσιμπαλ Γουήλερ για να περιγραφτεί ένα τέτοιο σώμα τεράστιας πυκνότητας. Βέβαια όπως θα δούμε στην συνέχεια ο κύριος λόγος που τα ουράνια αυτά σώματα δεν είναι “ορατά”, αφορά αφενός μεν την απόσταση τους από εμάς και αφετέρου η ακτινοβολία που εκπέμπεται από αυτά δεν ανήκει στο ορατό φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. 

Σύγκριση βαρατυκών πεδίων.

Το βαρυτικό πεδίο μιας μαύρης τρύπας ρουφά οτιδήποτε βρεθεί μέσα μια περιοχή που ονομάζεται «ορίζοντας γεγονότων» (Μπορούμε να τον φανταστούμε ως μια σφαίρα γύρω από το υπό κατάρρευση άστρο, έξω από την οποία το άστρο δεν είναι ορατό. Εντός του ορίζοντα το άστρο θα είναι ορατό). Αν ένας αστροναύτης έπεφτε σε μια μαύρη τρύπα και υποθέσουμε ότι θα ζούσε, θα βίωνε τεράστιες επιταχύνσεις και βαρυτικές δυνάμεις που κυριολεκτικά θα τον επιμήκυναν σε αφάνταστα μεγέθη. Παρατηρητές που θα στέκονταν έξω από το πεδίο επιρροής της μαύρης τρύπας θα τον έβλεπαν στα όρια του ορίζοντα γεγονότων της ακίνητο στο χώρο και με σταματημένη τη ροή του χρόνου του.

Όπως προαναφέρθηκε, ένα άστρο που έχει μετατραπεί σε μαύρη τρύπα δεν έχει κάποιον τρόπο να σταματήσει τη βαρυτική του κατάρρευση προς τα μέσα. Κατά κάποιον τρόπο είναι σαν να καταπίνει τον ίδιο του τον εαυτό. Καθώς η συστολή συνεχίζεται, το άστρο ουσιαστικά παύει να υπάρχει μέσα στο χώρο και γίνεται σαν ένα σημείο άπειρης πυκνότητας και βαρύτητας. Πρόκειται για μια σημειακή ρουφήχτρα που ενώ υπάρχει δεν έχει διαστάσεις και ονομάζεται από τους αστρονόμους «σημειακή ανωμαλία». Σε αυτή τη σημειακή ανωμαλία το γνωστό μας σύμπαν με τους νόμους του παύει να υφίσταται καθώς δεν έχουμε τον τρόπο ούτε καν να τη φανταστούμε. Όλα όσα γνωρίζουμε στη ζωή μας μέσα εκεί παύουν να υπάρχουν και εισερχόμαστε σε έναν νέο κόσμο όπου μεσουρανεί το παράδοξο και δεν έχουμε τρόπο να τον περιγράψουμε αφού ξεφεύγει από τα όσα μπορεί να συλλάβει στην παρούσα φάση ο ανθρώπινος νους. Η σημειακή ανωμαλία συνιστά ένα «υπαρκτό τίποτα». Υπάρχει, αλλά για το νου μας δεν σημαίνει κάτι αφού δεν μπορεί να συλλάβει αυτό το κάτι. Πρόκειται για μια άλλη κατάσταση ύπαρξης μια ανυπαρξία που όμως συνιστά ταυτόχρονα μια έντονη μορφή ύπαρξης.

Με απλά λόγια το μυαλό του ανθρώπου έχει προσαρμοστεί τέλεια στο φυσικό περιβάλλον της Γης, χρησιμοποιώντας για κάθε μέτρηση ευκλείδεια μεγέθη σε ένα τρισδιάστατο χώρο. Το Σύμπαν όμως δεν είναι ευκλείδειο. Δεν μπορεί δηλαδή να περιγραφεί πλήρως από την ευκλείδεια γεωμετρία, ούτε αυτό ούτε τα φυσικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα εντός των ορίων του. Το ίδιο ισχύει και για μια μαύρη τρύπα. Ο χώρος και χρόνος σε μια τέτοια περιοχή είναι αδύνατο να περιγραφούν επαρκώς, πόσο μάλλον να κατανοηθούν επαρκώς από τον άνθρωπο.

Δομή.

Σύμφωνα με την κλασσική γενική σχετικότητα, ούτε ύλη ούτε πληροφορίες μπορούν να κινηθούν από το εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας προς έναν εξωτερικό παρατηρητή. Για παράδειγμα, δεν μπορεί κάποιος να πάρει δείγμα του υλικού της ή να δεχτεί την ανάκλαση από μια φωτεινή πηγή (π.χ. φακό) ούτε να πάρει πληροφορίες για το υλικό από το οποίο αποτελείται η μαύρη τρύπα. Κβαντομηχανικά φαινόμενα μπορούν να επιτρέψουν σε ύλη και ενέργεια να δραπετεύσουν από μαύρες τρύπες. Εικάζεται, όμως, ότι η φύση τους δεν εξαρτάται από αυτά που έχουν εισέλθει στη μαύρη τρύπα κατά το παρελθόν. Αυτό σημαίνει ότι στις μαύρες τρύπες έχουμε απώλεια πληροφορίας σε σχέση με το είδος των σωματιδίων (τα μόνα χαρακτηριστικά που «διατηρεί στη μνήμη» η μαύρη τρύπα είναι η μάζα και το φορτίο της απορροφημένης ύλης). Επομένως, μια μαύρη τρύπα πρέπει να χαρακτηρίζεται από μια ορισμένη εντροπία.

Δομή μαύρης τρύπας.

Το καθοριστικό χαρακτηριστικό μιας μαύρης τρύπας είναι η εμφάνιση ενός ορίζοντα γεγονότων σε ένα όριο στο χωροχρόνο μέσα από το οποίο η ύλη και το φως μπορεί να περάσει μόνο προς τα μέσα για τη μάζα της μαύρης τρύπας. Τίποτα, ούτε καν το φως, δεν μπορεί να δραπετεύσει από το εσωτερικό του ορίζοντα γεγονότων. Ο ορίζοντας των γεγονότων αναφέρεται ως τέτοιος, διότι αν κάτι συμβεί εντός των ορίων του, οι πληροφορίες από αυτό το γεγονός δεν μπορούν να φτάσουν σε ένα εξωτερικό παρατηρητή, καθιστώντας αδύνατο να προσδιοριστεί αν κάτι τέτοιο συνέβη.

Όπως προβλέπεται από τη Γενική θεωρία της Σχετικότητας, η παρουσία μιας μεγάλης μάζας παραμορφώνει τον χωροχρόνο κατά τέτοιο τρόπο ώστε τα μονοπάτια που λαμβάνονται από τα σωματίδια στρέφονται προς τη μάζα. Κατά τον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας, η παραμόρφωση γίνεται τόσο ισχυρή που δεν υπάρχουν μονοπάτια που να οδηγούν μακριά από τη μαύρη τρύπα.

Για μια μη περιστρεφόμενη (στατική) μαύρη τρύπα, η ακτίνα Schwarzschild οριοθετεί ένα σφαιρικό ορίζοντα γεγονότων. Η ακτίνα Schwarzschild ενός αντικειμένου είναι ανάλογη προς τη μάζα. Οι περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες διαθέτουν στρεβλωμένους, μη σφαιρικούς ορίζοντες γεγονότων. Δεδομένου ότι ο ορίζοντας γεγονότων δεν είναι μια επιφάνεια του υλικού, αλλά απλώς μια μαθηματική έννοια οριοθέτησης συνόρου, τίποτα δεν εμποδίζει την ύλη ή την ακτινοβολία από το να εισέρχεται σε μια μαύρη τρύπα, μόνο την έξοδό της. Η περιγραφή των μαύρων τρυπών που δίνεται από τη Γενική θεωρία της Σχετικότητας είναι γνωστό ότι είναι μια προσέγγιση, και μερικοί επιστήμονες αναμένουν ότι οι επιπτώσεις της κβαντικής βαρύτητας θα είναι σημαντικές κοντά στην περιοχή του ορίζοντα γεγονότων. Αυτό θα επιτρέψει τις παρατηρήσεις της ύλης κοντά του ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας να χρησιμοποιούνται για την έμμεση μελέτη της γενικής σχετικότητας και τις προτεινόμενες επεκτάσεις σε αυτή.

Βαρυτικό πεδίο μαύρης τρύπας.

Θεωρητικά κανένα αντικείμενο πέρα από τον ορίζοντα γεγονότων δεν θα μπορούσε να έχει αρκετή ταχύτητα να διαφύγει από μια μαύρη τρύπα, συμπεριλαμβανομένου και του φωτός. Εξαιτίας αυτού, οι μαύρες τρύπες δεν μπορούν να εκπέμψουν κανενός είδους φως ή άλλο στοιχείο που θα μπορούσε να επιβεβαιώσει την ύπαρξή τους. Παρ' όλα αυτά οι μαύρες τρύπες μπορούν να ανιχνευτούν με την μελέτη φαινομένων γύρω τους, όπως για παράδειγμα η βαρυτική διάθλαση και τα αστέρια που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από χώρο που δεν φαίνεται να υπάρχει εμφανής ύλη.

Τα πιο εμφανή αποτελέσματα πιστεύεται ότι προέρχονται από ύλη που πέφτει μέσα σε μια μαύρη τρύπα, η οποία προβλέπεται ότι συγκεντρώνεται σε ένα εξαιρετικά θερμό και γρήγορα περιστρεφόμενο δίσκο γύρω από τη μαύρη τρύπα, πριν εισέλθει σε αυτή. O δίσκος αυτός είναι γνωστός ως δίσκος προσαύξησης. Η τριβή ανάμεσα σε γειτονικές ζώνες αυτού του δίσκου τον θερμαίνουν τόσο, ώστε να ακτινοβολεί μεγάλη ποσότητα ακτίνων Χ. Η θέρμανση είναι εξαιρετικά αποτελεσματική και μπορεί να μετατρέψει ακόμα και το 50% της ενέργειας ενός αντικειμένου σε ακτινοβολία.

Τίποτα δεν μπορεί να δραπετεύσει από τη μοιραία έλξη των μελανών οπών, ούτε καν η ακτινοβολία, περιέργως όμως αυτά τα κοσμικά τέρατα φαίνεται ότι λειτούργησαν σαν σόμπες, οι οποίες θέρμαναν το διαστρικό αέριο σε ολόκληρο το Σύμπαν, όπως δείχνουν οι τελευταίες προσομοιώσεις. Η επιπλέον θερμότητα δεν προέρχεται βέβαια από τις ίδιες τις μαύρες τρύπες, αλλά από τα υλικά που παγιδεύονται στην έλξη τους: πριν τελικά χαθούν μέσα στην κοσμική οπή, τα υλικά αυτά στροβιλίζονται γύρω της σε ακραίες ταχύτητες και φτάνουν έτσι σε εξωφρενικές θερμοκρασίες. Το αποτέλεσμα αυτής της θέρμανσης είναι η εκπομπή ακτίνων γάμμα, δηλαδή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με υψηλή συχνότητα, και επομένως υψηλή ενέργεια.Οι αστροφυσικοί γνώριζαν ότι η ακτινοβολία αυτή μπορεί να θερμάνει τα νεφελώματα αερίου στη γειτονιά της μαύρης τρύπας, πίστευαν όμως ότι η επίδρασή της σε μεγάλες αποστάσεις είναι αμελητέα.Η ύπαρξη μαύρων τρυπών στο σύμπαν υποστηρίζεται και από τις αστρονομικές παρατηρήσεις, ειδικά από τη μελέτη των σουπερνόβα και των ακτίνων Χ που εκπέμπουν ενεργοί γαλαξίες.

Τον Φεβρουάριο του 2016 ανακοινώθηκε από τους επιστήμονες η επιτυχής παρατήρηση των βαρυτικών κυμάτων, μια εξέλιξη η οποία χαιρετίστηκε ως η μεγαλύτερη ανακάλυψη του αιώνα καθώς έγινε δυνατή η παρατήρηση αντικειμένων στο σύμπαν τα οποία δεν εκπέμπουν φως όπως μαύρες τρύπες και σκοτεινή ύλη.

Εντοπίζοντας Μαύρες Τρύπες.

Ραδιοτηλεσκόπιο εντοπίζει "ίχνη" μαύρης τρύπας.

Θεωρητικά, γιγάντιες μαύρες τρύπες βρίσκονται στα κέντρα των γαλαξιών και υπάρχουν συγκλίνουσες ενδείξεις για αυτή την υπόθεση. Ωστόσο, άμεση παρατήρηση κάποιας μαύρης τρύπας δεν έχει υπάρξει ακόμη, αλλά η παρουσία τους μπορεί να ανιχνευθεί, έμμεσα, από την επίδραση που ασκούν στο περιβάλλον τους. Για παράδειγμα, μπορεί να ανιχνευθεί ταχύτατη κίνηση ύλης προς ένα κοντινό σημείο μέσα στο σύμπαν όπου δεν φαίνεται να υπάρχει κάποιο ουράνιο αντικείμενο. Αν ένα άστρο βρίσκεται κοντά σε μια μαύρη τρύπα τότε θα υπάρχει εμφανής ροή ύλης από αυτό προς ένα αόρατο σημείο. Αυτή η ύλη ακολουθεί μια σπειροειδή τροχιά και δημιουργεί έναν δίσκο που αναφέρεται ως «δίσκος συσσώρευσης». Σε αυτόν τον δίσκο οι ταχύτητες είναι μεγάλες και συνεπώς και οι θερμοκρασίες και έτσι υπάρχει έντονη εκπομπή ακτίνων Χ η οποία είναι εύκολα ανιχνεύσιμη. Ακόμη, η ύπαρξη μαύρης τρύπας μπορεί να ανιχνευθεί από τη μελέτη ισχυρών βαρυτικών επιδράσεων που δέχεται κάποιο ουράνιο σώμα δίχως να υπάρχει κάποιο ορατό σώμα που τις προκαλεί.

Γενικά, οι παρατηρήσεις που εγείρουν υποψίες για την παρουσία μαύρης τρύπας είναι οι εξής:

1. άστρα κοντά που κινούνται ταχύτατα γύρω από ένα αόρατο κέντρο βαρύτητας, 
2. παρουσία δίσκων συσσώρευσης που αποτελούνται κατά κύριο λόγο από «ιονισμένα» αέρια (πρόκειται για αέρια στα οποία οι εσωτερικές συγκρούσεις έχουν δημιουργήσει ιόντα, δηλαδή θετικά και αρνητικά ηλεκτρικά φορτισμένα σωμάτια), 
3. εκτόξευση σε τεράστιες αποστάσεις γιγάντιων πιδάκων ιονισμένου αερίου κατά μήκος του άξονα περιστροφής του δίσκου συσσώρευσης.

θερμοκρασία Bekenstein και ακτινοβολία Hawking.

Οι μαύρες τρύπες δεν είναι και τόσο αόρατες! Τον Νοέμβριο του 1970, ο Stephen Hawking πρόσεξε την αξιοσημείωτη ομοιότητα ανάμεσα στο Δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής και το νόμο της αύξησης του εμβαδού˙ θεώρησε, όμως, προφανές ότι επρόκειτο για απλή σύμπτωση. Θα έπρεπε να είναι κάποιος τρελός, ή τουλάχιστον ελαφρόμυαλος, για να υποστηρίξει ότι το εμβαδόν του ορίζοντα μιας μαύρης τρύπας αποτελεί, υπό κάποια έννοια, την εντροπία της, πίστευε ο Hawking. Εξάλλου, δεν υπάρχει τίποτε τυχαίο σε μια μαύρη τρύπα. Η μαύρη τρύπα είναι το ακριβώς αντίθετο του τυχαίου – είναι η απλότητα ενσαρκωμένη. Αφότου μάλιστα καταλήξει σε κατάσταση ηρεμίας, εξαλείφει όλα τα ίχνη της: Όλες οι ιδιότητές της καθορίζονται επακριβώς μόνο από τρεις αριθμούς – τη μάζα, τη στροφορμή και το ηλεκτρικό φορτίο της. Η μαύρη τρύπα δεν παρουσιάζει καθόλου τυχαιότητα.

Jacob Bekenstein

Ο Jacob Bekenstein όμως δεν είχε πειστεί. Θεωρούσε πιθανό ότι το εμβαδό μιας μαύρης τρύπας είναι, υπό κάποια βαθύτερη έννοια, η εντροπία της – για να ακριβολογούμε η εντροπία της πολλαπλασιασμένη επί κάποια σταθερά. Αν δεν ίσχυε κάτι τέτοιο, σκεφτόταν ο Bekenstein, αν δηλαδή οι μαύρες τρύπες είχαν μηδενική εντροπία (καθόλου τυχαιότητα), όπως υποστήριζε ο Hawking, τότε θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να ελαττωθεί η εντροπία του σύμπαντος – και επομένως θα παραβιαζόταν ο Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής. Το μόνο που χρειαζόταν ήταν να στριμώξει κανείς, ας πούμε, όλα τα μόρια του αέρα ενός δωματίου σε ένα μικρό αεροστεγές πακέτο και να το ρίξει μέσα σε μια μαύρη τρύπα. Έτσι, μόλις το πακέτο εισερχόταν στην τρύπα, αυτά τα μόρια καθώς και η εντροπία που διέθεταν θα εξαφανίζονταν από το σύμπαν μας. Αν λοιπόν η εντροπία της μαύρης τρύπας δεν αυξανόταν ως αντιστάθμισμα αυτής της απώλειας, τότε η συνολική εντροπία του σύμπαντος θα ελαττωνόταν! Μια τέτοια παραβίαση του Δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής δεν φαίνεται καθόλου πειστική, υποστήριξε ο Bekenstein. Για να προστατεύεται ο Δεύτερος νόμος, η μαύρη τρύπα πρέπει να διαθέτει εντροπία, η οποία να αυξάνεται όταν ένα τέτοιο πακέτο διασχίζει τον ορίζοντά της˙ κατά τον Bekenstein, δεν υπήρχε καλύτερος για να αντιπροσωπεύει αυτή την εντροπία απ’ ότι το εμβαδόν της επιφάνειας της μαύρης τρύπας.

Το 1972 ο Ηawking μαζί με τους Brandon Carter και Jim Bardeen δημοσίευσαν μια εργασία,  όπου έδειχναν ότι υπάρχουν μεγάλες ομοιότητες μεταξύ της μηχανικής των μαύρων τρυπών και των νόμων της θερμοδυναμικής. Αρκεί στη θέση του εμβαδού του ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας να μπει η εντροπία. H πρώτη νύξη ότι οι μαύρες τρύπες μπορούν πράγματι να ακτινοβολούν έγινε από τον σοβιετικό φυσικό Yakov Borisovish Zel’dovich τον Ιούνιο του 1971 αλλά κανείς όμως δεν έδωσε προσοχή. To άρθρο με τίτλο «Particle production and vacuum polarization in an anisotropic gravitational field» θα είχε απορριφθεί αν το είχε γράψει κάποιος άλλος. Το όνομα Zel’dovich όμως υπερίσχυσε. Ο Zel’dovich ισχυρίστηκε ότι «μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα πρέπει να ακτινοβολεί. Η ακτινοβολία θα ωθεί αντίθετα την μαύρη τρύπα και θα μειώνει σιγά-σιγά τη στροφορμή της, έως ότου αυτή σταματήσει να περιστρέφεται. Τότε, θα πάψει να εκπέμπει και ακτινοβολία και θα έχει για πάντα απολύτως σφαιρικό σχήμα και δεν θα περιστρέφεται. Το συμπέρασμα αυτό μετά από 3 χρόνια επιβεβαιώθηκε και από άλλους φυσικούς. Βρισκόμαστε στο 1974 και οι ειδικοί περί των μαύρων τρυπών συμφωνούν στο ότι: μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα πρέπει να εκπέμπει ακτινοβολία έως ότου εξαντληθεί η περιστροφική κινητική της ενέργεια, οπότε και θα σταματήσει η εκπομπή ακτινοβολίας.

Oι υπολογισμοί του Hawking επιβεβαίωναν ότι κάθε περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα πρέπει να ακτινοβολεί και ότι η στροφορμή της μειώνεται. Οι υπολογισμοί του όμως προέβλεπαν επιπλέον πως όταν η μαύρη τρύπα πάψει να περιστρέφεται, η εκπομπή ακτινοβολίας δεν σταματά. Παρότι η τρύπα δεν διαθέτει περιστροφική ενέργεια, συνεχίζει να εκπέμπει ακτινοβολία όλων των ειδών (βαρυτική, ηλεκτρομαγνητική, νετρίνα)˙ και καθώς συμβαίνει αυτό, εξακολουθεί να χάνει ενέργεια. Ενώ μάλιστα η περιστροφική της ενέργεια παρέμενε αποθηκευμένη στον στροβιλιζόμενο χώρο έξω από τον ορίζοντα, η ενέργεια που χάνει τώρα δεν μπορεί να προέρχεται από πουθενά αλλού παρά μόνο από το εσωτερικό της.! Εξίσου εκπληκτικό ήταν το γεγονός ότι οι υπολογισμοί του Hawking προέβλεπαν πως το φάσμα της ακτινοβολίας (δηλαδή η ποσότητα της ενέργειας που ακτινοβολείται σε κάθε μήκος κύματος) μοιάζει επακριβώς με το φάσμα της θερμικής ακτινοβολίας ενός θερμού σώματος. Με άλλα λόγια, μια μαύρη τρύπα συμπεριφέρεται ακριβώς σαν ο ορίζοντάς της να έχει πεπερασμένη θερμοκρασία, η οποία, όπως συμπέρανε ο Hawking, είναι ανάλογη με την επιφανειακή βαρύτητα της τρύπας. Τελικά οι νόμοι της μηχανικής των μαύρων τρυπών είναι μεταμφιεσμένοι οι νόμοι της θερμοδυναμικής και όπως είχε ισχυριστεί ο Bekenstein – μια μαύρη τρύπα έχει εντροπία ανάλογη με το εμβαδόν της επιφάνειάς της.

 S = A/4

Από τους υπολογισμούς του Hawking προέκυπταν και άλλα συμπεράσματα. Από τη στιγμή που η τρύπα παύει να περιστρέφεται, η εντροπία της και το εμβαδό του ορίζοντά της είναι ανάλογα του τετραγώνου της μάζας της. Επομένως κάθε μαύρη τρύπα συνεχίζει να εκπέμπει ακτινοβολία μετατρέποντας μάζα σε ενέργεια, η μάζα της όπως και η εντροπία και το εμβαδόν της ελαττώνονται, ενώ η θερμοκρασία και η επιφανειακή βαρύτητά της αυξάνονται. Η μαύρη τρύπα συρρικνώνεται και γίνεται θερμότερη, δηλαδή στην ουσία εξαερώνεται!

Η ακτινοβολία που εκπέμπει μια μαύρη τρύπα ονομάστηκε ακτινοβολία Hawking. Πως όμως είναι δυνατόν να φαίνεται ότι μια μαύρη τρύπα εκπέμπει σωματίδια, όταν γνωρίζουμε πως τίποτε δεν μπορεί διαφύγει από τα όρια του ορίζοντα των γεγονότων της. Την απάντηση δίνει η κβαντική θεωρία. Τα σωματίδια δεν προέρχονται από το εσωτερικό της μαύρης τρύπας, αλλά από τον «κενό» χώρο, έξω ακριβώς από τον ορίζοντα των γεγονότων της! Σύμφωνα με την αρχή της απροσδιοριστίας, εμφανίζονται ζεύγη από «δυνάμει» σωματίδια ύλης

Ακτινοβολία Hawking κοντά σε ορίζοντα γεγονότων.

Στην περίπτωση όμως αυτή το ένα μέλος του ζεύγους θα είναι σωματίδιο και το άλλο αντισωματίδιο. Επειδή η ενέργεια δεν μπορεί να παραχθεί από το μηδέν, το ένα μέλος του ζεύγους σωματιδίου-αντισωματιδίου θα έχει θετική ενέργεια και το άλλο αρνητική. Αυτό με την αρνητική ενέργεια είναι καταδικασμένο να παραμείνει ένα «δυνάμει» σωματίδιο ή αντισωματίδιο, επειδή σε κανονικές καταστάσεις δηλαδή έξω από τις μαύρες τρύπες, τα «πραγματικά» σωματίδια ή αντισωματίδια έχουν θετική ενέργεια. Πρέπει λοιπόν στο σύντομο χρονικό διάστημα της ζωής του να επιζητεί μια συνάντηση με το άλλο μέρος του ζεύγους, αυτό με τη θετική ενέργεια, και να εξαϋλωθεί μαζί του. Αν όμως κοντά στην περιοχή όπου εμφανίζεται το ζεύγος υπάρχει μια μαύρη τρύπα, παρουσιάζεται και μια άλλη δυνατότητα. Ένα «πραγματικό» σωματίδιο ή αντισωματίδιο που έχει θετική ενέργεια όταν βρίσκεται κοντά σε ένα σώμα με μεγάλη μάζα, η ενέργειά του είναι μικρότερη απ’ όση όταν βρισκόταν μακρύτερα. Όσο πιο κοντά βρίσκεται στο σώμα τόσο μικρότερη είναι η ενέργειά του. Σε κανονικές καταστάσεις αυτή η ενέργεια παραμένει πάντα θετική. Στο εσωτερικό, όμως μιας μαύρης τρύπας το βαρυτικό πεδίο είναι τόσο ισχυρό ώστε εκεί το σωματίδιο ή το αντισωματίδιο μπορεί να έχει αρντητική ενέργεια.

Αφού λοιπόν ένα «πραγματικό» σωματίδιο ή αντισωματίδιο μπορεί, στο εσωτερικό της μαύρης τρύπας, να έχει αρνητική ενέργεια, παρουσιάζεται η δυνατότητα στο «δυνάμει» σωματίδιο ή αντισωματίδιο με την αρνητική ενέργεια να πέσει μέσα στη μαύρη τρύπα και να γίνει «πραγματικό» σωαμτίδιο ή αντισωματίδιο. Στην περίπτωση αυτή δεν χρειάζεται πια να εξαϋλωθεί μαζί με το άλλο μέλος του ζεύγους. Το εγκαταλελειμμένο μέλος του ζεύγους, αυτό με τη θετική ενέργεια, μπορεί ή να πέσει και αυτό μέσα στη μαύρη τρύπα ή να διαφύγει από την περιοχή της. Για κάποιον που παρατηρεί τα γεγονότα από μακριά, θα φαίνεται ότι το σωματίδιο αυτό το εξέπεμψε η μαύρη τρύπα. Όσο μικρότερη είναι η μαύρη τρύπα τόσο μικρότερη είναι η απόσταση που θα πρέπει να διανύσει το «δυνάμει» σωματίδιο ή αντισωματίδιο πριν γίνει πραγματικό, και τόσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία της μαύρης τρύπας και ο ρυθμός εκπομπής της ακτινοβολίας. Η θετική ενέργεια της ακτινοβολίας που θα εκπέμπεται από τη μαύρη τρύπα θα εξισορροπείται από τη ροή των σωματιδίων ή αντισωματιδίων αρνητικής ενέργειας που θα πέφτουν μέσα της. Επομένως, η ροή αρνητικής ενέργειας μέσα στη μαύρη τρύπα έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της μάζας της. Καθώς μειώνεται η μάζα της μαύρης τρύπας μειώνεται και το εμβαδόν του ορίζοντα των γεγονότων της (που τελικά είναι το μέτρο της εντροπίας της). Η μείωση όμως της εντροπίας της μαύρης τρύπας εξισορροπείται από την εντροπία της ακτινοβολίας που εκπέμπεται. Έτσι, ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής δεν παραβιάζεται ποτέ.

Οι Μίνι Μαύρες Τρύπες.

Stephen Hawking

Η επιστήμη εξετάζει το ενδεχόμενο της ύπαρξης και μικροσκοπικών μαύρων τρυπών. Ο πασίγνωστος κοσμολόγος και μαθηματικός Στήβεν Χώκινγκ το 1971 προέβλεψε θεωρητικά τη δημιουργία πολλών μικροσκοπικών μαύρων τρυπών (με μέγεθος όχι μεγαλύτερο από εκείνο του πυρήνα ενός ατόμου) κατά τα πρώτα στάδια της δημιουργίας του σύμπαντος. Κάθε τέτοια όμως μαύρη τρύπα θα έχει μάζα ανάλογη με εκείνη ενός μεγάλου βουνού. Ο τρόπος της δημιουργίας αυτών των μικροσκοπικών μαύρων τρυπών κατά τον Χώκιγκ δεν οφείλεται στη βαρυτική κατάρρευση ενός άστρου μετά την εξάντληση των πυρηνικών αποθεμάτων του. Αυτό που πρότεινε ο Χώκινγκ ήταν πως λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και λόγο της βιαιότητας της υπήρχε τοπική κατάρρευση της ύλης σε περιοχές υψηλότατης πυκνότητας με αποτέλεσμα τη δημιουργία μεγάλου αριθμού «μίνι» μαύρων τρυπών ή αλλιώς «αρχέγονων» μαύρων τρυπών. Επίσης, ο Χώκινγκ υποστήριξε για τις μαύρες οπές ότι μπορούν κάτω από κατάλληλες συνθήκες να εξατμιστούν ή και να εκραγούν δίνοντας ένα αποτέλεσμα παρόμοιο με εκείνο μια «λευκής τρύπας». Αυτό όμως σύμφωνα με τη Θεωρία της Σχετικότητας δεν μπορεί να συμβεί διότι θα έπρεπε να υπάρξει κίνηση μάζας με ταχύτητα μεγαλύτερη από εκείνη του φωτός (η Σχετικότητα δέχεται ότι τίποτα δεν μπορεί να κινηθεί μέσα στο γνωστό μας σύμπαν γρηγορότερα από το φως). Προς το παρόν δεν υπάρχουν παρατηρησιακές ενδείξεις που να υποστηρίζουν την παρουσία μίνι μαύρων τρυπών, όπως υπάρχουν για τις γιγάντιες μαύρες τρύπες.

Γέφυρες Αϊστάιν – Ρόζεν.

H γέφυρα Einstein – Rosen.

To 1935, o Einstein δημοσίευσε μια εργασία με τον συνεργάτη του Nathan Rosen , στην οποία επιχείρησαν να αποδείξουν ότι οι ιδιομορφίες Schwarzschild δεν υπήρχαν. Χρησιμοποιώντας ένα μαθηματικό τέχνασμα, που είναι γνωστό ως μετασχηματισμός συντεταγμένων, κατάφεραν να διατυπώσουν εκ νέου τη μαθηματική λύση του Schwarzschild σε τέτοια μορφή ώστε να μην περιέχει ένα σημείο στο οποίο σταματούσαν ο χώρος και ο χρόνος. Όμως αυτή η εναλλακτική μορφή ήταν εξίσου παράξενη. Οι δυο επιστήμονες έδειξαν ότι η ιδιομορφία γινόταν μια γέφυρα που συνέδεε το Σύμπαν μας με ένα παράλληλο σύμπαν! Δεν πρόκειται για το είδος του παράλληλου σύμπαντος που θα είχε αποκοπεί από το δικό μας ως αποτέλεσμα της κβαντικής μηχανικής. Αυτός ο σύνδεσμος μεταξύ των συμπάντων έγινε γνωστός ως γέφυρα Einstein – Rosen και ήταν, για τον Einstein, μια αμιγώς θεωρητική άσκηση γεωμετρίας, στην οποία δυο χωρόχρονοι ενώνονταν μεταξύ τους. O Einstein δεν πίστευε στην ύπαρξη μιας τέτοιας γέφυρας, όπως δεν πίστευε και στην πραγματική ύπαρξη των ιδιομορφιών. Επρόκειτο απλά για μια εκκεντρικότητα των μαθηματικών της γενικής σχετικότητας. Ο λόγος για τον οποίο, στην δεκαετία του 1930, κανείς δεν ήταν πολύ ενθουσιασμένος με την γέφυρα Einstein – Rosen ήταν ότι δεν θα μπορούσε ποτέ να χρησιμοποιηθεί ως πρακτικό μέσο για τη μετάβαση σε ένα άλλο σύμπαν.


Πηγές:
e-zine.gr
el.wikipedia.org
physicsgg.me
Μάνος Δανέζης, Στράτος Θεοδοσίου, «Το σύμπαν που αγάπησα»
Kip S. Thorne, «Μαύρες τρύπες και στρεβλώσεις του χρόνου»
Stephen W. Hawking, «το χρονικό του χρόνου»