Η ηλικία του Σύμπαντος «αλλάζει» το φως των κβάζαρ

Για τους περισσότερους ανθρώπους, το πιο φωτεινό αντικείμενο στον ουρανό είναι το πλησιέστερο άστρο μας, ο Ηλιος. Υπάρχουν όμως ουράνια σώματα τα οποία εκπέμπουν έως και τρισεκατομμύρια φορές ισχυρότερο φως από εκείνο του Ηλίου. Φως, το οποίο μπορεί να αποκαλύψει πολλά για το πώς εξελίσσεται το Σύμπαν εδώ και δισεκατομμύρια χρόνια. Είναι τα «κβάζαρ», κάποια από τα πιο λαμπρά αντικείμενα του Διαστήματος. Σήμερα γνωρίζουμε ότι ένα κβάζαρ δημιουργείται γύρω από μια πολύ μεγάλη, ενεργή μαύρη τρύπα στον πυρήνα ενός γαλαξία.

Για πολλά χρόνια όμως, μέχρι και τις αρχές της δεκαετίας του ’60, η ύπαρξή τους δεν είχε αναγνωριστεί. Συχνά θεωρούνταν απλά, συνηθισμένα άστρα. Από εκεί προέρχεται άλλωστε και η ονομασία τους: «quasars», από τον όρο «QUASi-stellAR objects», δηλαδή «σχεδόν αστρικά αντικείμενα». Βρίσκονται σε τεράστιες αποστάσεις από εμάς και η φυσική τους παραμένει σε μεγάλο βαθμό αινιγματική.

Καθοριστική όμως για την κατανόηση αυτών των εξωτικών ουράνιων σωμάτων είναι η πρόσφατη έρευνα του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών. Η μελέτη έγινε με τη συνεργασία επιστημόνων από την Ελλάδα, τη Γερμανία, τη Σκωτία, την Αμερική και την Κίνα, με επικεφαλής ερευνητές τη δρα Μαρία Χήρα και τους δρες Αντώνη Γεωργακάκη και Ανχελ Ρουίς.

Η ομάδα μελέτησε κβάζαρ διαφορετικών ηλικιών και επιβεβαίωσε μια σημαντική ιδιότητα του φωτός τους. Το εύρημα μας βοηθά να κατανοήσουμε καλύτερα τι συμβαίνει στην περιοχή γύρω από τις μαύρες τρύπες τη στιγμή που αυτές «τρέφονται» με ύλη.

10 – 100.000

φορές πιο φωτεινά από τον Γαλαξία μας είναι τα κβάζαρ.

Από σκοτεινά σώματα σε πανίσχυρη λάμψη

Στη σχετική μελέτη στο περιοδικό «Monthly Notices» της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας της Βρετανίας επισημαίνεται ότι ο τρόπος που τρέφονται οι μαύρες τρύπες (δηλαδή απορροφούν ύλη από το περιβάλλον τους) αποτυπώνεται στο είδος του φωτός που εκπέμπουν τα κβάζαρ. Το φως αυτό δεν είναι ίδιο σε όλη τη διάρκεια ζωής του Σύμπαντος, και ακριβώς αυτή τη μεταβολή εξετάζει η νέα έρευνα.

Οπως εξηγεί στο BHMA-Science η κύρια συγγραφέας της μελέτης, δρ Μαρία Χήρα, «η μαύρη τρύπα είναι μια περιοχή με τόσο ισχυρή βαρύτητα που τίποτα, ούτε καν το φως, δεν μπορεί να διαφύγει όταν βρεθεί εντός μιας συγκεκριμένης απόστασης από αυτήν, γι’ αυτό και ονομάζεται μαύρη τρύπα. Σε ορισμένα στάδια της ζωής τους οι μαύρες τρύπες ενεργοποιούνται και αρχίζουν να τρέφονται, αυξάνοντας σημαντικά τη μάζα τους. Σε αυτή την ενεργή φάση, η ύλη πριν πέσει στη μαύρη τρύπα κινείται σπειροειδώς γύρω της και σχηματίζει έναν φωτεινό δίσκο, ο οποίος θερμαίνεται λόγω της τριβής και της βαρύτητας και εκπέμπει έντονη ακτινοβολία. Ετσι, δημιουργούνται τα κβάζαρ και είναι ορατά ακόμη και από τεράστιες αποστάσεις, ακριβώς επειδή ακτινοβολούν ισχυρά». Το εντυπωσιακό φως των κβάζαρ ταξιδεύει σε αποστάσεις δισεκατομμυρίων ετών φωτός στο Σύμπαν και μας έχει δώσει κάποιες από τις πιο συναρπαστικές εικόνες του Διαστήματος.

Το φως των κβάζαρ αποτελείται από ακτινοβολίες με διαφορετικά μήκη κύματος. Κάθε μια από αυτές συνδέεται με ξεχωριστές φυσικές διεργασίες που συμβαίνουν κοντά στη μαύρη τρύπα. Εξετάζοντας το πώς σχετίζονται οι διαφορετικές ακτινοβολίες μεταξύ τους, μπορούμε να κατανοήσουμε πολλά για τη φυσική μιας μαύρης τρύπας. Οι αστρονόμοι γνωρίζουν ήδη από τη δεκαετία του ’80, χάρη στα πρώτα τηλεσκόπια της εποχής, πως υπάρχει μια πολύτιμη ισορροπία ανάμεσα στο υπεριώδες φως και στις ακτίνες Χ – δύο χαρακτηριστικά μήκη κύματος που εκπέμπουν τα κβάζαρ. «Η ισχυρή εκπομπή υπεριώδους ακτινοβολίας συνεπάγεται και την ισχυρότερη ένταση των ακτίνων Χ» μας εξηγεί η δρ Χήρα.

«Με βάση όσα γνωρίζουμε έως σήμερα για τις μαύρες τρύπες, τα δύο αυτά μήκη κύματος προέρχονται από διαφορετικές περιοχές: η υπεριώδης ακτινοβολία εκπέμπεται από τον δίσκο, ενώ οι ακτίνες Χ παράγονται στην περιοχή που ονομάζουμε κορόνα όπου υπάρχουν εξαιρετικά θερμά, ιονισμένα αέρια, δηλαδή μια κατάσταση της ύλης που ονομάζεται πλάσμα. Ο δίσκος παράγει φωτόνια, τα οποία φτάνουν σε εμάς ως υπεριώδης ακτινοβολία, ενώ ένα μέρος τους προσπίπτει στην κορόνα. Εκεί αλληλεπιδρούν και επανεκπέμπονται ως ακτίνες Χ. Αυτό είναι που συνδέει στενά τον δίσκο με την κορόνα και τα δύο μήκη κύματος». Αξίζει να τονιστεί πως το ακριβές σχήμα, το μέγεθος και τα χαρακτηριστικά της κορόνας παραμένουν αβέβαια, ενώ τα θεωρητικά μοντέλα που αναπτύσσονται για την προσομοίωση και την κατανόησή της αποτελούν ενεργό αντικείμενο έρευνας διεθνώς.

600

τρισεκατομμύρια φορές φωτεινότερο από τον Ηλιο ήταν κβάζαρ που εντοπίστηκε το 2019.

Διαφορετικά όργανα για διαφορετικές ακτινοβολίες

«Παρατηρούμε το φως που εκπέμπουν οι διαφορετικές περιοχές γύρω από μια μαύρη τρύπα με ειδικά τηλεσκόπια, τα οποία μπορούν να διακρίνουν το κάθε μήκος κύματος. Για παράδειγμα, το υπεριώδες (UV) φως που εκπέμπει ο δίσκος ανιχνεύεται με τηλεσκόπια τα οποία βλέπουν αυτό το μέρος της ακτινοβολίας. Αντίστοιχα για να μελετήσουμε την κορόνα στρεφόμαστε σε τηλεσκόπια που ανιχνεύουν τις ακτίνες Χ» προσθέτει επιπλέον η Μαρία Χήρα. Σημειώνεται πως για τη μελέτη τα δεδομένα για την UV ακτινοβολία προήλθαν από το σύστημα επίγειων τηλεσκοπίων SDSS (ένα από τα σημαντικότερα αστρονομικά προγράμματα χαρτογράφησης του ουρανού στον κόσμο), ενώ τα δεδομένα των ακτίνων Χ, από τα διαστημικά τηλεσκόπια XMM-Newton και eROSITA.

Για να κατανοήσουν αν η σχέση μεταξύ των δύο ακτινοβολιών παραμένει ίδια σε όλη την ιστορία του Σύμπαντος, οι επιστήμονες έπρεπε να μελετήσουν κβάζαρ διαφορετικών εποχών. Αναλύοντας το υπεριώδες φως και τις ακτίνες Χ σε περισσότερα από 130.000 κβάζαρ, η ομάδα μελέτησε εκ νέου την αλληλεπίδραση δίσκου-κορόνας και το πώς αυτή εξελίσσεται στον χρόνο. Διαπιστώθηκε ότι η συσχέτισή τους παραμένει παρόμοια ποιοτικά αλλά διαφοροποιείται ποσοτικά, και μάλιστα ανάλογα με την ηλικία του Σύμπαντος.

Το επίτευγμα οφείλεται εν μέρει και στην προηγμένη στατιστική μέθοδο που εφαρμόστηκε. Τα μαθηματικά ήταν αυτά που ανέδειξαν το πώς εξελίσσεται η σχέση με την πάροδο του χρόνου, για την οποία έως σήμερα οι επιστήμονες είχαν μόνο ενδείξεις. «Υποθέτοντας ότι αυτή η συμπεριφορά είναι ένα φυσικό χαρακτηριστικό των κβάζαρ, φαίνεται πως υπάρχει κάποιος άγνωστος παράγοντας που κάνει τη διαδικασία να διαφέρει ανάμεσα στο σημερινό Σύμπαν και στις πρώιμες εποχές του. Αυτό υπογραμμίζει ένα σημαντικό κενό στη γνώση μας γύρω από το πώς τρέφονται οι μαύρες τρύπες» συμπληρώνει η δρ Χήρα.

26.000

έτη φωτός μακριά από τη Γη βρίσκεται ο Sagittarius A*, η μαύρη τρύπα του Γαλαξία μας.

Μάθημα για την εξέλιξη του κόσμου

Μπορεί η τωρινή μελέτη να επικεντρώνεται στην Αστροφυσική των κβάζαρ, τα ευρήματά της όμως μπορούν μελλοντικά να αξιοποιηθούν σε ένα πολύ ευρύτερο επιστημονικό πλαίσιο. Το Σύμπαν φιλοξενεί αμέτρητους γαλαξίες και στον πυρήνα καθενός από αυτούς βρίσκεται μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα.

Η ανάπτυξη και η εξέλιξή της επηρεάζει καθοριστικά τον γαλαξία που την περιβάλλει. Μαθαίνοντας λοιπόν περισσότερα για το πώς τρέφονται και μεγαλώνουν οι μαύρες τρύπες, καλύπτουμε και κρίσιμα κενά στη γνώση μας γύρω από την εξέλιξη των κοσμικών δομών – από τη δημιουργία των γαλαξιών έως τα μεγαλύτερα συστήματα του Σύμπαντος.

Εν ολίγοις, τα κβάζαρ δεν είναι απλώς εντυπωσιακές πηγές φωτός. Αφήνουν φωτεινά ίχνη, τα οποία διασχίζουν τον χώρο και τον χρόνο και διηγούνται μια ιστορία πιο σύνθετη και ακόμη πιο συναρπαστική απ’ ό,τι πιστεύαμε μέχρι σήμερα.