Οι γαλαξίες και οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στο κέντρο τους εξελίσσονται μαζί, όμως το ποια από τις δύο δομές εμφανίστηκε πρώτη παραμένει ένα από τα μεγάλα ερωτήματα της κοσμολογίας. Τώρα, ίσως έχουμε επιτέλους μια απάντηση, γράφει η αρθρογράφος Leah Crane.
Η μαύρη τρύπα στο κέντρο αυτού του γαλαξία άρχισε πριν από τον γαλαξία; NASA, ESA, STScI, AURA; S. Smartt/The Queen’s University of Belfast
Η μαύρη τρύπα στο κέντρο αυτού του γαλαξία άρχισε πριν από τον γαλαξία;
NASA, ESA, STScI, AURA; S. Smartt/The Queen’s University of Belfast
Αν, όπως έγραψε ο συγγραφέας και φιλόσοφος Samuel Butler το 1878, «a hen is only an egg’s way of making another egg», τότε ένας γαλαξίας ίσως είναι απλώς ο τρόπος μιας μαύρης τρύπας να φτιάχνει μια άλλη μαύρη τρύπα. Με άλλα λόγια, στο ερώτημα ποιο ήρθε πρώτο, φαίνεται ότι κερδίζει η μαύρη τρύπα.
Κάθε τεράστιος γαλαξίας που έχουμε δει, σε ολόκληρο το σύμπαν, έχει μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στο κέντρο του. Τα δύο αυτά στοιχεία είναι άρρηκτα συνδεδεμένα: όλη η ύλη του γαλαξία τροφοδοτεί τη μαύρη τρύπα, η οποία με τη σειρά της διαμορφώνει την εξέλιξη του γαλαξία. Όμως το πώς ξεκινά αυτή η συμβίωση παραμένει εδώ και χρόνια ανοιχτό ζήτημα στην κοσμολογία. Δημιουργείται πρώτα μια μαύρη τρύπα και στη συνέχεια συγκεντρώνεται γύρω της ύλη για να σχηματιστεί γαλαξίας ή μεγαλώνει πρώτα ένας γαλαξίας και κατόπιν καταρρέει στο κέντρο του για να δημιουργηθεί μια μαύρη τρύπα;
Υπάρχουν άραγε μαύρες τρύπες και, αν όχι, τι έχουμε πραγματικά παρατηρήσει;
Ένα βασικό μέρος αυτού του ερωτήματος είναι η φαινομενικά αδύνατη ύπαρξη των υπερμεγεθών μαύρων τρυπών. Είναι απλώς πολύ μεγάλες για να υπάρχουν. Ή, τουλάχιστον, είναι πολύ μεγάλες για να έχουν αρχίσει να υπάρχουν τότε που ξεκίνησαν, δηλαδή λιγότερο από 500 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Αυτό ίσως ακούγεται σαν πολύς χρόνος για να μεγαλώσουν, όμως αν η ηλικία του σύμπαντος ήταν ένα ημερολόγιο, με τη Μεγάλη Έκρηξη την 1η Ιανουαρίου και σήμερα την 31η Δεκεμβρίου, οι πρώτες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες θα είχαν ήδη μάζα εκατοντάδων εκατομμυρίων φορών τη μάζα του Ήλιου μέχρι τα μέσα Ιανουαρίου. Με βάση τους νόμους της φυσικής όπως τους κατανοούμε, δεν υπάρχει προφανής τρόπος να έγιναν τόσο τεράστιες τόσο γρήγορα.
Υπάρχουν τέσσερις τρόποι, όσο γνωρίζουμε, για να δημιουργηθούν υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες. Ο πιο προφανής είναι μέσω συγχωνεύσεων συνηθισμένων μαύρων τρυπών αστρικής μάζας, που σχηματίζονται όταν καταρρέουν μεγάλα άστρα. Όμως μόνο η ανάπτυξη ενός άστρου απαιτεί εκατοντάδες εκατομμύρια έως δισεκατομμύρια χρόνια, και μετά πρέπει να καταρρεύσει και έπειτα να συγχωνευθεί. Δεν υπήρχε αρκετός χρόνος για όλα αυτά. Ο δεύτερος τρόπος είναι η δημιουργία ενός λεγόμενου μεγάλου σπόρου, που πιθανότατα θα ήταν ένα πολύ μεγάλο από τα πρώτα άστρα, τα λεγόμενα πρωταρχικά άστρα, ή ένα άστρο από σκοτεινή ύλη ή ακόμη και ένα αστρικό σμήνος. Όμως αυτό απλώς μεταθέτει το πρόβλημα χρονικά, γιατί και πάλι πρέπει να σχηματιστεί αυτός ο σπόρος εξαιρετικά νωρίς στο σύμπαν και, πάλι, έχουμε μόνο 500 εκατομμύρια χρόνια στη διάθεσή μας, κάτι που δεν αρκεί. Έτσι, απομένουν δύο βιώσιμες επιλογές: η άμεση κατάρρευση, κατά την οποία ένα τεράστιο νέφος αερίου εμποδίζεται να σχηματίσει άστρα εξαιτίας ισχυρής ακτινοβολίας, μέχρι να γίνει τόσο βαρύ ώστε να μετατραπεί απευθείας σε μαύρη τρύπα χωρίς ενδιάμεσα στάδια, και οι πρωταρχικές μαύρες τρύπες.
Οι πρωταρχικές μαύρες τρύπες είναι ιδιαίτερα αμφιλεγόμενες, επειδή δεν υπάρχει αδιάσειστη απόδειξη ότι υπάρχουν. Αν υπήρχαν, όμως, θα ήταν εξαιρετικά χρήσιμες. Θα ήταν επίσης πολύ παράξενες, οπότε, παρότι προσωπικά είμαι πολύ επιφυλακτική για την ύπαρξή τους, ελπίζω να υπάρχουν. Αν υπάρχουν, θα είχαν σχηματιστεί στα πρώτα στιγμιότυπα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όχι από άστρα —αφού τα άστρα δεν υπήρχαν ακόμη— αλλά απλώς λόγω της ακραίας πίεσης του πρώιμου σύμπαντος. Το μεγαλύτερο μέρος του ενδιαφέροντος γύρω τους αφορά το ότι θα μπορούσαν να είναι πολύ μικρότερες από κάθε άλλο είδος μαύρης τρύπας, όμως αυτό δεν είναι το ζήτημα που μας απασχολεί εδώ. Σε ό,τι αφορά τον σχηματισμό γαλαξιών, το είδος που μας ενδιαφέρει θα ήταν στην πραγματικότητα τεράστιο, γιατί θα είχε ξεκινήσει μεγαλύτερο και θα είχε σχηματιστεί νωρίτερα από οποιαδήποτε άλλη εκδοχή.
Αν οι πρωταρχικές μαύρες τρύπες είναι πραγματικές και είναι επίσης ο μηχανισμός με τον οποίο οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες έγιναν τόσο μεγάλες τόσο νωρίς, τότε αυτό δίνει οριστική απάντηση στο πρόβλημα «η κότα ή το αβγό». Οι γαλαξίες δεν θα μπορούσαν να είχαν σχηματιστεί τόσο νωρίς όσο αυτές οι μαύρες τρύπες. Όμως δεν έχουμε αποδείξεις γι’ αυτές.
Ή, τουλάχιστον, δεν είχαμε. Χάρη στο διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST), τον τελευταίο καιρό μπορούμε να βλέπουμε πιο κοντά από ποτέ στην αρχή του κοσμικού χρόνου, και κάθε χρονική περίοδο που εξετάζουμε φαίνεται να έχει ήδη υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες. Η δομή των γαλαξιών, πάντως, αλλάζει όσο κοιτάμε όλο και πιο πίσω στον χρόνο. Το πιο εντυπωσιακό παράδειγμα από το JWST είναι η εμφάνιση μακρινών γαλαξιών που ονομάστηκαν little red dots, τους οποίους δεν είχαμε ξαναδεί αλλά το JWST εντόπισε σε εκατοντάδες. Όπως δείχνει και το όνομά τους, είναι μικροί, κόκκινοι και απίστευτα μακρινοί.
Χρειάστηκε χρόνος για να επιβεβαιωθεί πλήρως ότι πρόκειται πράγματι για γαλαξίες, αλλά πλέον είμαστε αρκετά βέβαιοι γι’ αυτό. Αν όντως είναι γαλαξίες, οι μαύρες τρύπες στο κέντρο τους είναι ασυνήθιστα μεγάλες και περιστρέφονται εξαιρετικά γρήγορα. Υπάρχουν και άλλα μυστήρια, όμως το μέγεθος αυτών των μαύρων τρυπών είναι το πραγματικά παράξενο στοιχείο. Όταν οι ερευνητές υπολόγισαν το 2024 ότι οι μαύρες τρύπες ήταν πιθανότατα μεταξύ 20% και 70% της μάζας αυτών των γαλαξιών —ενώ οι περισσότερες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες έχουν μάζα σημαντικά μικρότερη από τη μισή μάζα του γαλαξία που τις φιλοξενεί— φάνηκε πως δεν υπήρχε πραγματικός τρόπος να το εξηγήσει κανείς.
Τα εντυπωσιακά αποτελέσματα που απαιτούν μια νέα θεωρία για το σύμπαν
Το JWST έρχεται ξανά να δώσει τη λύση. Μαζί με μια σύμπτωση γεωμετρίας που μεγέθυνε το φως ενός little red dot με το όνομα Abell 2744-QSO1, ή απλώς QS01, οι αστρονόμοι απέκτησαν μια πρωτοφανή εικόνα ενός γαλαξία που υπήρχε μόλις 700 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Μετρώντας την ταχύτητα του αερίου που περιφέρεται γύρω από το κέντρο του, το οποίο κινείται εξαιρετικά γρήγορα, κατάφεραν να υπολογίσουν τη μάζα του QS01 και της κεντρικής του μαύρης τρύπας — μια μέτρηση που δεν έχει γίνει ποτέ ξανά για καμία μαύρη τρύπα μέσα στο πρώτο δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Η μαύρη τρύπα, όπως αποδείχθηκε, έχει μάζα περίπου 50 εκατομμύρια ηλιακές μάζες. Ολόκληρος ο γαλαξίας δεν ξεπερνά περίπου τα 75 εκατομμύρια.
Υπάρχουν μόνο δύο τρόποι να εξηγηθεί αυτό: η άμεση κατάρρευση ή μια πρωταρχική μαύρη τρύπα. Και οι δύο δεν προϋποθέτουν ότι ο γαλαξίας σχηματίστηκε πριν από τη μαύρη τρύπα. Άρα φαίνεται πως, σε τουλάχιστον αυτόν τον συγκεκριμένο γαλαξία, η μαύρη τρύπα ήταν το αβγό και ήρθε πρώτη. Το ζήτημα λύθηκε.
Φυσικά, δεν είναι ποτέ τόσο απλό. Τώρα πρέπει να εξετάσουμε όσο περισσότερα little red dots γίνεται, για να δούμε αν το QS01 είναι αντιπροσωπευτικό, και να καταλάβουμε πώς ακριβώς σχηματίστηκε η μαύρη τρύπα του και από τι αποτελείται το υπόλοιπο του γαλαξία. Αναμφίβολα, οι απαντήσεις σε αυτά τα ερωτήματα θα φέρουν μαζί τους μια νέα σειρά από μυστήρια. Αλλά αξίζει να γιορτάσουμε μια νίκη και, μόνο για αυτή τη φορά, μπορούμε επιτέλους να πούμε: το αβγό ήρθε πρώτο.
Λάβετε κάθε εβδομάδα μια δόση ανακαλύψεων στο inbox σας. Θα σας κρατάμε επίσης ενήμερους για εκδηλώσεις και ειδικές προσφορές του New Scientist.
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
