Απαντήσεις για την ακτινοβολία που εκπέμπουν οι μαύρες τρύπες αναζητά διεθνής επιστημονική ομάδα

Στη συνείδησή μας οι μαύρες τρύπες είναι οι αδηφάγοι μυστηριώδεις σχηματισμοί του Σύμπαντος που καταπίνουν ό,τι βρεθεί γύρω τους εκπέμποντας την ίδια ώρα ακτινοβολία. Ποιος είναι όμως ο μηχανισμός πίσω από αυτή την εκπομπή ακτινοβολίας; Διεθνής επιστημονική ομάδα, με τη συμμετοχή ερευνητών του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών, δίνει απάντηση σε ένα από τα κύρια ερωτήματα που απασχολούν την αστροφυσική κοινότητα και κάνει ένα σημαντικό βήμα στην κατανόηση των μαύρων τρυπών.

Στο κέντρο των γαλαξιών βρίσκονται υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες με μάζες που κυμαίνονται από εκατομμύρια έως και δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου. Για παράδειγμα, η μαύρη τρύπα στον πυρήνα του δικού μας Γαλαξία είναι 4,3 εκατομμύρια φορές βαρύτερη από τον Ήλιο. Πολλές από αυτές τις μαύρες τρύπες, όσες είναι ενεργές, αυξάνουν τη μάζα τους καταπίνοντας νέφη ύλης που βρίσκονται γύρω τους. Σημειώνεται ότι οι επιστήμονες έχουν παρατηρήσει πάνω από ένα εκατομμύριο ενεργές μαύρες τρύπες στο Σύμπαν.

Λίγο πριν πέσει για πάντα στη μαύρη τρύπα, η ύλη σχηματίζει έναν δίσκο προσαύξησης που κατευθύνει υλικό σε αυτή θρέφοντάς την και αυξάνοντας την μάζα της. Ο δίσκος αυτός ακτινοβολεί έντονα και προγενέστερες έρευνες έχουν καταδείξει ότι η ακτινοβολία δεν είναι σταθερή, αλλά παρουσιάζει έντονη αυξομείωση. Το ερώτημα όμως που απασχολούσε για χρόνια την επιστημονική κοινότητα είναι από τι εξαρτάται αυτή η αυξομείωση της ακτινοβολίας.

Ομάδα ερευνητών του Ινστιτούτου Αστρονομίας, Αστροφυσικής, Διαστημικών Εφαρμογών και Τηλεπισκόπησης (ΙΑΑΔΕΤ) του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών, αποτελούμενη από τον διευθυντή ερευνών Αντώνη Γεωργακάκη, τον διευθυντή ειδικό λειτουργικό επιστήμονα Αθανάσιο Ακύλα, και τον μεταδιδακτορικό ερευνητή Angel Ruiz, σε συνεργασία με ερευνητικές ομάδες από το γερμανικό ινστιτούτο Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics και το Πανεπιστήμιο της Νάπολης στην Ιταλία, μελέτησαν πάνω από 16.000 υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες για να μπορέσουν να δώσουν απάντηση στο ερώτημα αυτό. Οι μαύρες τρύπες που επιλέχθηκαν είναι όλες ενεργές και υπερμεγέθεις, βρίσκονται στα κέντρα γαλαξιών και έχουν μεγάλο εύρος μάζας, από δέκα εκατομμύρια έως ένα δισεκατομμύριο ηλιακές μάζες. 

Οι επιστήμονες μελέτησαν δεδομένα που συνέλεξαν δύο δορυφόροι ακτίνων Χ, οι XMM-Newton του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος και eROSITA του γερμανικού ινστιτούτου Max Planck for Extraterrestrial physics (MPE). Η ανάλυση των δεδομένων, μέσω της εφαρμογής καινοτόμων στατιστικών μεθόδων, έδειξε για πρώτη φορά μια άμεση συσχέτιση της μεταβλητότητας της ακτινοβολίας του δίσκου προσαύξησης με δύο θεμελιώδεις φυσικές ιδιότητες: τη μάζα της μαύρης τρύπας και τον ρυθμό με τον οποίο η ύλη πέφτει μέσα στη μαύρη τρύπα. Όπως διαπίστωσαν, οι μεγάλης μάζας μαύρες τρύπες δεν μεταβάλλουν την ακτινοβολία τόσο πολύ σε αντίθεση με τις μικρής μάζας μαύρες τρύπες που έχουν πολύ μεγαλύτερο εύρος μεταβολών. Επιπλέον, όταν η ύλη πέφτει στις μαύρες τρύπες με χαμηλό ρυθμό, η ακτινοβολία έχει πολύ μεγαλύτερη μεταβλητότητα σε σύγκριση με τις μαύρες τρύπες, όπου η ύλη πέφτει με μεγαλύτερο ρυθμό.

«Στη μελέτη επιδεικνύουμε ξεκάθαρα τη συσχέτιση ανάμεσα στις μεταβολές της ακτινοβολίας και στις φυσικές ιδιότητες του συστήματος προσαύξησης», εξηγεί στο ΑΠΕ-ΜΠΕ ο διευθυντής ερευνών του ΙΑΑΔΕΤ Αντώνης Γεωργακάκης. «Δεν είναι η πρώτη φορά που αυτές οι δύο ιδιότητες συζητιούνται, αλλά σε αυτή τη μελέτη καταδεικνύουμε με μεγάλη στατιστική βεβαιότητα ότι αυτές οι δύο φυσικές ποσότητες, η μάζα της μαύρης τρύπας και ο ρυθμός προσαύξησης, παίζουν σημαντικό ρόλο στο να καθορίσουν το επίπεδο μεταβλητότητας της ακτινοβολίας που παράγεται από ενεργές μαύρες τρύπες», προσθέτει ο ίδιος.

Τα αποτελέσματα αυτά, που δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό περιοδικό MNRAS, αποτελούν, όπως υπογραμμίζει επιπλέον ο κ. Γεωργακάκης, ένα σημαντικό βήμα για την κατανόηση του τρόπου δημιουργίας των γιγαντιαίων μαύρων τρυπών στα κέντρα γαλαξιών.

Σημειώνεται ότι το τηλεσκόπιο eROSITA, που αναπτύχθηκε από μια ομάδα γερμανικών ερευνητικών κέντρων και πανεπιστημίων με επικεφαλής το ινστιτούτο Max Planck for Extraterrestrial physics, μπήκε σε τροχιά γύρω από τη Γη το 2019 και είναι το μοναδικό που σαρώνει όλο τον ουρανό στοχεύοντας να παράσχει την πιο λεπτομερή χαρτογράφηση της ουράνιας σφαίρας στις ακτίνες Χ. Μόλις λίγες ημέρες νωρίτερα δημοσιεύθηκαν τα πρώτα δεδομένα από το πρώτο εξάμηνο λειτουργίας του τηλεσκοπίου. Στην κοινοπραξία διαχείρισης του τηλεσκοπίου συμμετέχει και το ΙΑΑΔΕΤ συνεισφέροντας εργαλεία λογισμικού για τη βαθμονόμηση των οπτικών ακτίνων Χ και την ανάλυση των παρατηρήσεων.

Οι νέες παρατηρήσεις ακτίνων Χ του eROSITA που δημοσιοποιούνται, θα αποτελέσουν μια μοναδική πηγή πληροφοριών για την αστρονομική κοινότητα για ένα ευρύ φάσμα ερευνητικών εφαρμογών, από τη μελέτη συμπαγών αντικειμένων, όπως οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, μέχρι τον σχηματισμό σμηνών γαλαξιών.

Στην κεντρική φωτογραφία αποτυπώνεται το σχεδιάγραμμα με τις παρατηρήσεις από το τηλεσκόπιο XMM-Newton της ενεργής μαύρης τρύπας με κωδικό SDSS J214238.27+064600.7 σε διαφορετικές ημερομηνίες. Τα ανοιχτότερα χρώματα υποδεικνύουν υψηλότερα ένταση και συνεπώς μεγαλύτερη λαμπρότητα ακτινοβολίας.

Eδώ φαίνεται η προσομοίωση που δείχνει τις μεταβολές της ακτινοβολίας που εκπέμπονται κατά την προσαύξηση ύλης πάνω σε μια μικρής και μια μεγάλης μάζας μαύρη τρύπα.