Οι μαύρες τρύπες είναι οι πιο ενδιαφέρουσες και θαυμάσιες δυνάμεις της φύσης. Είναι επίσης ένα από τα πιο μυστηριώδη λόγω του τρόπου με τον οποίο καταρρέουν οι κανόνες της συμβατικής φυσικής στην παρουσία τους. Παρά τις δεκαετίες έρευνας και παρατηρήσεων, υπάρχουν ακόμα πολλά που δεν γνωρίζουμε για αυτές. Στην πραγματικότητα, μέχρι πρόσφατα, οι αστρονόμοι δεν είχαν δει ποτέ μια εικόνα της μαύρης τρύπας και δεν μπόρεσαν να μετρήσουν τη μάζα τους.
Ωστόσο, μια ομάδα φυσικών από το Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας (MIPT) ανακοίνωσε πρόσφατα ότι είχαν επινοήσει έναν τρόπο για να μετρήσει έμμεσα τη μάζα μιας μαύρης τρύπας, ενώ επιβεβαίωσε επίσης την ύπαρξή της. Σε μια πρόσφατη μελέτη, έδειξαν πώς δοκίμασαν αυτήν τη μέθοδο στην υπερμεγέθη μαύρη τρύπα που απεικονίστηκε πρόσφατα στο κέντρο του ενεργού γαλαξία του Messier 87.
Η μελέτη εμφανίστηκε στο τεύχος Αυγούστου του Μηνιαίες ειδοποιήσεις της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας. Εκτός από τους ερευνητές του MIPT, η ομάδα περιελάμβανε μέλη από το Κοινό Ινστιτούτο VLBI ERIC (JIVE) που εδρεύει στην Ολλανδία, το Ινστιτούτο Αστρονομίας και Αστροφυσικής της Academia Sinica στην Ταϊβάν και το Παρατηρητήριο Mizusawa VLBI της Ιαπωνίας του NOAJ στην Ιαπωνία.
Για δεκαετίες, οι αστρονόμοι γνωρίζουν ότι οι περισσότεροι μαζικοί γαλαξίες έχουν μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα (SMBH) στο κέντρο τους. Η παρουσία αυτού του SMBH οδηγεί σε σημαντική δραστηριότητα στον πυρήνα, όπου το αέριο και η σκόνη πέφτουν σε ένα δίσκο συσσώρευσης και επιταχύνονται σε ταχύτητες που τους προκαλούν να εκπέμπουν φως, καθώς και ραδιόφωνο, φούρνο μικροκυμάτων, ακτίνες Χ και γάμμα- ακτινοβολία ακτίνων.
Για μερικούς γαλαξίες, η ποσότητα της ακτινοβολίας που παράγεται από την περιοχή του πυρήνα είναι τόσο φωτεινή που πραγματικά υπερνικά το φως που προέρχεται από όλα τα αστέρια στο δίσκο του. Αυτοί είναι γνωστοί ως γαλαξίες Active Galactic Nuclei (AGN) καθώς έχουν ενεργούς πυρήνες και άλλοι γαλαξίες είναι συγκριτικά «αθόρυβοι». Ένα άλλο αναγνωριστικό ότι ένας γαλαξίας είναι ενεργός είναι οι μεγάλες ακτίνες υπερθέρμανσης της ύλης που εκτείνονται.
Αυτά τα «σχετικιστικά αεροσκάφη», τα οποία μπορούν να εκτείνονται για εκατομμύρια έτη φωτός προς τα έξω, ονομάζονται έτσι επειδή το υλικό σε αυτά επιταχύνεται σε ένα κλάσμα της ταχύτητας του φωτός. Αν και αυτά τα τζετ δεν είναι πλήρως κατανοητά ακόμη, η τρέχουσα συναίνεση είναι ότι παράγονται από ένα συγκεκριμένο «φαινόμενο κινητήρα» που προκαλείται από ένα ταχέως περιστρεφόμενο SMBH.
Ένα καλό παράδειγμα ενός ενεργού γαλαξία με σχετικιστικό αεριωθούμενο αεροπλάνο είναι ο Μεσιέρ 87 (γνωστός και ως Παρθένος Α), ένας υπερ-γιγαντιαίος γαλαξίας που βρίσκεται στην κατεύθυνση του Αστερισμού της Παρθένου. Αυτός ο γαλαξίας είναι ο πλησιέστερος ενεργός γαλαξίας στη Γη, και ως εκ τούτου ένας από τους καλύτερα μελετημένους. Ανακαλύφθηκε αρχικά το 1781 από τον Charles Messier (ο οποίος το έκρινε ως νεφέλωμα), έκτοτε μελετάται τακτικά. Μέχρι το 1918, το οπτικό αεριωθούμενο αεροπλάνο έγινε το πρώτο του είδους του που παρατηρήθηκε.
Χάρη στην εγγύτητά του, οι αστρονόμοι μπόρεσαν να μελετήσουν σχολαστικά το αεροσκάφος του Messier 87 - χαρτογραφώντας τη δομή και τις ταχύτητες του πλάσματος και μετρώντας τις θερμοκρασίες και τις πυκνότητες σωματιδίων κοντά στο ρεύμα του jet. Τα όρια του αεροσκάφους μελετήθηκαν με λεπτομέρεια ότι οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι ήταν ομοιογενές κατά μήκος και άλλαξε σχήμα όσο πιο μακριά επεκτάθηκε (από παραβολικό σε κωνικό).
Όλες αυτές οι παρατηρήσεις επέτρεψαν στους αστρονόμους να δοκιμάσουν υποθέσεις σχετικά με τη δομή των ενεργών γαλαξιών και τη σχέση μεταξύ αλλαγών στο σχήμα του πίδακα και της επίδρασης της μαύρης τρύπας στον γαλαξιακό πυρήνα. Σε αυτήν την περίπτωση, η διεθνής ερευνητική ομάδα εκμεταλλεύτηκε αυτήν τη σχέση και για να καθορίσει τη μάζα των M87 SMBH.
Η ομάδα βασίστηκε επίσης σε θεωρητικά μοντέλα που προβλέπουν τη διακοπή ενός τζετ, τα οποία τους επέτρεψαν να δημιουργήσουν ένα μοντέλο όπου μια μάζα SMBH θα αναπαράγει με ακρίβεια το παρατηρούμενο σχήμα του τζετ M87. Μετρώντας το πλάτος του πίδακα και την απόσταση μεταξύ του πυρήνα και της διάρρηξης του σχήματος του, διαπίστωσαν επίσης ότι το όριο του πίδακα M87 αποτελείται από δύο τμήματα με δύο ξεχωριστές καμπύλες.
Στο τέλος, ο συνδυασμός θεωρητικών μοντέλων, παρατηρήσεων και υπολογισμών επέτρεψε στην ομάδα να λάβει μια έμμεση μέτρηση της μάζας και της συχνότητας περιστροφής της μαύρης τρύπας. Αυτή η μελέτη όχι μόνο παρέχει ένα νέο μοντέλο για την εκτίμηση της μαύρης τρύπας και ένα νέο μέσο μέτρησης για πίδακες αλλά επίσης επιβεβαιώνει τις υποθέσεις στις οποίες βασίζεται η δομή των πίδακες
Ουσιαστικά, τα αποτελέσματα της ομάδας περιγράφουν τον πίδακα ως ροή μαγνητισμένου ρευστού, όπου το σχήμα καθορίζεται από το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο σε αυτό. Αυτό, με τη σειρά του, εξαρτάται από πράγματα όπως η ταχύτητα και η φόρτιση των σωματιδίων του πίδακα, το ηλεκτρικό ρεύμα μέσα στον πίδακα και ο ρυθμός με τον οποίο το SMBH συγκεντρώνει ύλη από τον περιβάλλοντα δίσκο του.
Η αλληλεπίδραση μεταξύ όλων αυτών των παραγόντων είναι αυτό που προκαλεί το παρατηρούμενο σπάσιμο στο σχήμα ενός πίδακα, το οποίο στη συνέχεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παρεκταθεί η μάζα SMBHs και πόσο γρήγορα περιστρέφεται. Η Elena Nokhrina, αναπληρωτής επικεφαλής του εργαστηρίου MIPT που συμμετείχε στη μελέτη και επικεφαλής συγγραφέας στο χαρτί της ομάδας, περιγράφει τη μέθοδο που ανέπτυξαν με τον ακόλουθο τρόπο:
«Η νέα ανεξάρτητη μέθοδος για την εκτίμηση της μάζας και της περιστροφής της μαύρης τρύπας είναι το βασικό αποτέλεσμα της δουλειάς μας. Παρόλο που η ακρίβειά του είναι συγκρίσιμη με αυτήν των υφιστάμενων μεθόδων, έχει ένα πλεονέκτημα στο ότι μας φέρνει πιο κοντά στον τελικό στόχο. Δηλαδή, βελτιώνοντας τις παραμέτρους του πυρήνα «κινητήρα» για να κατανοήσουμε βαθύτερα τη φύση του ».
Χάρη στη διαθεσιμότητα εξελιγμένων οργάνων για τη μελέτη SMBH (όπως το Τηλεσκόπιο Event Horizon) και τα διαστημικά τηλεσκόπια επόμενης γενιάς που θα τεθούν σε λειτουργία σύντομα, δεν θα χρειαστεί πολύς χρόνος για να εξεταστεί διεξοδικά αυτό το νέο μοντέλο. Ένας καλός υποψήφιος θα ήταν ο Τοξότης A *, ο SMBH στο κέντρο του γαλαξία μας, ο οποίος εκτιμάται ότι κυμαίνεται μεταξύ 3,5 εκατομμυρίων 4,7 εκατομμυρίων ηλιακών μαζών.
Εκτός από την τοποθέτηση ακριβέστερων περιορισμών σε αυτήν τη μάζα, οι μελλοντικές παρατηρήσεις θα μπορούσαν επίσης να καθορίσουν πόσο ενεργός (ή ανενεργός) είναι ο πυρήνας του γαλαξία μας. Αυτά και άλλα μυστήρια μαύρης τρύπας περιμένουν!
