Η ιστορία ενός σκοτεινού κοσμικού γίγαντα

Έχω δει παιδικά μάτια να αστράφτουν όταν τους μιλάω για μαύρες τρύπες.

Μπράιαν Γκριν

Ενόσω πλήθουσες εναντιογνωμίες περί συμβατότητας ή μη επιστήμης και πίστης μαίνονται τις τελευταίες δεκαετίες, μοιάζει ειρωνικό το γεγονός ότι κάποιες απαρχές εκ των πλέον εντυπωσιακών συλλήψεων στην εξέλιξη της κοσμολογίας και της αστροφυσικής ανάγονται σε ανθρώπους της πίστης! Ίσως ο πιο διάσημος από αυτούς να είναι ο Ζωρζ Λεμαίτρ, ο Βέλγος ιερέας και μαθηματικός, ο οποίος, αναδιφώντας στις εξισώσεις πεδίου του Αϊνστάιν, έφτασε να προτείνει κάτι αδιανόητο για την εποχή του (δεκαετία του 1920): ότι το σύμπαν είχε μια αρχή! Ωστόσο, η δική μας ιστορία ξεκινά στα τέλη του 18ου αιώνα, και πιο συγκεκριμένα, στη δημιουργική φαντασία ενός Άγγλου πάστορα πτυχιούχου του Κέιμπριτζ: τον Τζον Μίτσελ.

Σε προηγούμενο επεισόδιο, εξήραμε το πιο σπουδαίο πνευματικό κληροδότημα του Αϊνστάιν στη θεωρητική φυσική: τα πειράματα σκέψης του. Ωστόσο, τα πειράματα σκέψης δεν ήταν επ’ ουδενί αποκλειστική του «πατέντα». Σχεδόν 120-130 χρόνια νωρίτερα από τις σπουδαίες ενοράσεις του Αϊνστάιν, που αναμφίβολα συνέβαλαν τα μάλα στο ξέσπασμα της μεγάλης επιστημονικής επανάστασης στο πρώτο τετάρτο του 20ου αιώνα, ο εφημέριος Μίτσελ διεξήγαγε ένα δικό του πείραμα σκέψης, που έμελλε να προοιωνίσει μια απίστευτη ανακάλυψη. Ειδικότερα, το 1783 ο Μίτσελ άφησε το μυαλό του να κλωθογυρίζει σε μια ιδέα: τι θα γινόταν αν η βαρύτητα ενός άστρου ήταν τόσο ισχυρή που δε θα άφηνε ούτε ένα σωματίδιο φωτός να την υπερκεράσει; [1] Για να απαντήσουμε σε αυτό το ερώτημα, είναι αναγκαίο να κάνουμε πρώτα μια (διασαφηνιστική) σύντομη ιστορική παράκαμψη.

Φυσικά, η αναφορά της βαρύτητας μας οδηγεί αναπόδραστα στον πατριάρχη της, τον Ισαάκ Νεύτωνα. Σύμφωνα με τον νόμο του Νεύτωνα για τη βαρύτητα, λοιπόν, υπάρχει μια συγκεκριμένη ταχύτητα, η λεγόμενη «ταχύτητα διαφυγής», την οποία χρειάζεται ένα σώμα (ή, εν προκειμένω, σωματίδιο) προκειμένου να υπερνικήσει τη βαρυτική έλξη που υφίσταται στην επιφάνεια του ουράνιου σώματος στο οποίο βρίσκεται. Για τη γη, φερ’ ειπείν, η ταχύτητα διαφυγής που πρέπει να αναπτύξει ένα σώμα (πχ. ένα διαστημόπλοιο), ώστε να «δραπετεύσει» από το βαρυτικό πεδίο της και να διαφύγει στο διάστημα, είναι τα 11 χλμ./δευτερόλεπτο.

Όμως, (και δω παρεισφρέει άλλη μια ειρωνεία) παρόλο που ο Νεύτωνας έγραψε τους νόμους της βαρύτητας, δεν μπορούσε να καταλάβει τι ακριβώς ήταν η βαρύτητα! Δεν μπορούσε, δηλαδή, να κατανοήσει πώς γίνεται ένα σώμα όπως ο ήλιος, για παράδειγμα, που βρίσκεται 150 εκατομμύρια χιλιόμετρα μακριά, να ασκεί επιρροή στη γη. Άλλωστε, το μόνο που υπάρχει ανάμεσά τους είναι κενός χώρος. Για τον λόγο αυτό, στο (υπερ)κλασικό Principia (1687) του, πιθανότατα το πρώτο επιστημονικό βιβλίο που γράφτηκε ποτέ, ο Νεύτωνας γράφει χαρακτηριστικά ότι «την απάντηση σε αυτό το σημαντικό ερώτημα», του πώς ακριβώς, δηλαδή, η βαρύτητα ασκεί την επίδρασή της, «την αφήνω στην εκτίμηση του αναγνώστη»… [2]

Για τα επόμενα 200 περίπου χρόνια, όποιος αναγνώστης έφτανε σε αυτό το σημείο του βιβλίου, απλώς άλλαζε τη σελίδα και συνέχιζε να διαβάζει. Όμως, στις αρχές του 20ου αιώνα, εμφανίστηκε ένας μάλλον ιδιαίτερος αναγνώστης, που δε συνέχισε το διάβασμα, αλλά, αντιθέτως, στάθηκε και όρθωσε το διανοητικό του ανάστημα απέναντι σ’ αυτό το φαινομενικά απροσπέλαστο αλλά αναμφίλεκτα βαθύ ερώτημα. Ο αναγνώστης αυτός δεν ήταν άλλος από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν…

Ο Αϊνστάιν έπιασε το νήμα από κει που το είχε αφήσει ο Νεύτωνας – στον κενό χώρο. Αυτό που σκέφτηκε, με άλλα λόγια, ήταν ότι ο ίδιος ο χώρος πρέπει να κάνει κάτι, δεν μπορεί να είναι απλώς ένα αδρανές υπόβαθρο∙ πρέπει να αποτελεί μέρος του δυναμικού ξεδιπλώματος της βαρύτητας. Η ακρογωνιαία του σύλληψη ήταν, ουσιαστικά, ότι η βαρύτητα δε διαχέεται στον χώρο∙ το βαρυτικό πεδίο είναι ο ίδιος ο χώρος! [3] Αυτή είναι η πυρηνική ιδέα της Γενικής Σχετικότητας. Η παρουσία μάζας στον χώρο(χρονο) στρεβλώνει την υφή του, δημιουργώντας κοιλότητες πάνω στις οποίες κινούνται τα ουράνια σώματα: ο ήλιος καμπυλώνει τον χώρο, και η γη κινείται σε τροχιά γύρω από το «βαθούλωμα» που προκαλεί αυτός – να πώς εξηγείται τελικά η επίδρασή  του στον πλανήτη μας!

Άλλη μια αληθινά συγκλονιστική πρόβλεψη-επακόλουθο της σχετικότητας ήταν ότι η παρουσία αρκετής μάζας στον χώρο μπορεί να τον παραμορφώσει τόσο έντονα, ώστε να είναι εφικτό να κάμπτονται ακόμα και ακτίνες φωτός!! Στις 22 Σεπτεμβρίου του 1919, λίγους μήνες μετά το περίφημο «πείραμα Eddigton» (επικεφαλής του πειράματος ήταν ο αστροφυσικός Άρθουρ Έντινγκτον), το παρατηρησιακό τεστ της Γενικής Σχετικότητας στο οποίο αποδείχθηκε ότι ο ήλιος πράγματι κάμπτει το φως, ο Αϊνστάιν έλαβε ένα τηλεγράφημα που του γνωστοποιούσε την οριστική επαλήθευση της θεωρίας του. Μάλιστα, ο μύθος λέει ότι παρούσα στη θριαμβική του επιβεβαίωση ήταν και μια μαθήτριά του, η Ilse Schneider, η οποία τότε τον ρώτησε: «Καθηγητά Αϊνστάιν, τι θα λέγατε αν οι παρατηρήσεις δεν είχαν επιβεβαιώσει την πρόβλεψή σας;», με τον Αϊνστάιν να απαντά: «Θα στεναχωριόμουν για τον Κύριο, γιατί η θεωρία ΕΙΝΑΙ σωστή…» [4]

Εντούτοις, (και συνεχίζοντας αυτό το άτυπο γαϊτανάκι ειρωνειών), αν και ο Αϊνστάιν επινόησε τις εξισώσεις πεδίου που φέρουν το όνομά του, ο ίδιος τις έλυνε μόνο προσεγγιστικά. Τις ακριβείς λύσεις των εξισώσεών του βρήκε ένας αστρονόμος συμπατριώτης του, ο Karl Schwarzschild, μέσα σε έναν περίπου χρόνο από τη δημοσίευση της Γενικής Σχετικότητας, και ενώ υπηρετούσε στην πρώτη γραμμή κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκοσμίου Πολέμου! Μέσα στα αιματοβαμμένα χαρακώματα του ρωσικού μετώπου, λοιπόν, αντί να υπολογίζει τροχιές βλημάτων, ο Σβάρτσιλντ φαίνεται πως προτιμούσε να σκαλίζει τις εξισώσεις του Αϊνστάιν! Μέσα στην αναζήτησή του ανακάλυψε την προοπτική μιας καθόλα συναρπαστικής δυνατότητας της σχετικότητας η οποία μας οδηγεί πίσω στον Τζον Μίτσελ και το ερώτημά του. [5]

Εξερευνώντας, λοιπόν, τα θεωρητικά άκρα της σχετικότητας, ο Σβάρτσιλντ διέγνωσε, τωόντι, μια αληθινά αλλόκοτη συναγωγή στις λύσεις των εξισώσεων της Γενικής Σχετικότητας: αν συνθλίψεις ένα σφαιρικό σώμα, όπως για παράδειγμα ένα άστρο, σε ένα επαρκώς μικρό μέγεθος, η παραμόρφωση στην υφή του χωροχρόνου θα είναι τόσο δριμεία, που τίποτα –ούτε καν το φως– που θα πλησιάσει αρκετά κοντά δε θα μπορεί να δραπετεύσει. Αυτό που ανακάλυψε, επί της ουσίας, ο Σβάρτσιλντ ήταν δυνατότητα ύπαρξης ενός «Σκοτεινού Άστρου» [6].

Μολοντούτο, ο Αϊνστάιν θεώρησε την υπόθεση του σκοτεινού (ή «παγωμένου» [7]) άστρου υπερβολικά ριζοσπαστική για να είναι αληθινή! Θυμηθείτε –ξανά από παλαιότερο επεισόδιο–, όταν ο Λεμαίτρ (ο Βέλγος ιερέας που αναφέραμε στην εισαγωγή) συνειδητοποίησε ότι η εύλογη συνεπαγωγή της Γενικής Σχετικότητας ήταν ένα διαστελλόμενο σύμπαν, ο Αϊνστάιν ουσιαστικά τον κατακεραύνωσε, αποκαλώντας τη φυσική του «βδελυρή»! Είναι σίγουρα πολύ δύσκολο, ακόμα και για τις πιο τολμηρές διάνοιες, να ξεφύγουν από μακροχρόνιες προκαταλήψεις.

Αλλά στη συγκεκριμένη περίπτωση, η καχυποψία του Αϊνστάιν ήταν σίγουρα βάσιμη. Γιατί, όταν βάλεις κάτω τους αριθμούς, η ιδέα των μελανών οπών μοιάζει στ’ αλήθεια προϊόν φαντασίας. Για να μετατρέψεις τον ήλιο, λόγου χάρη, σε μαύρη τρύπα, θα πρέπει να συνθλίψεις ολόκληρο το μέγεθος του ώστε να καταλαμβάνει 1-2 χιλιόμετρα (σημείωση: περίπου 1,3 εκατομμύρια «Γαίες» χωράνε στον Ήλιο!)!! Για να μετατρέψεις τη γη σε μαύρη τρύπα, θα πρέπει να τη συρρικνώσεις σε μέγεθος περίπου ενός φιστικιού!!! Πραγματικά τρελή ιδέα!! [8]

Όμως, όπως λέει και o Μπράιαν Γκριν, ιδέες που μπορεί να φαίνονται γελοίες ή τρελές σε μια εποχή μπορούν, τελικά, όχι μόνο να υποστηριχθούν πειραματικά και παρατηρησιακά, αλλά να μετεξελιχθούν σε κανόνα που όλοι πάντοτε θεωρούσαν αληθινό!

Το 1916 και το 1918, αμέσως μετά τη δημοσίευση της θεωρίας του για τη βαρύτητα, και καθώς διανοίγονταν πρωτόγνωρες προοπτικές θεωρητικής εξερεύνησης της Γενικής Σχετικότητας, ο Αϊνστάιν δημοσίευσε 2 εργασίες που περιέγραφαν οντότητες που αναφύονταν μέσα από τη διατάραξη του χωροχρονικού συνεχούς. Αυτές οι αναδυόμενες φυσικές οντότητες ήταν τα λεγόμενα «βαρυτικά κύματα» – οι «ρυτιδώσεις», πρακτικά, που προκαλούνται στην υφή του χωροχρόνου από βίαια αστροφυσικά γεγονότα κολοσσιαίας αστρονομικής κλίμακας, όπως λ.χ. η σύγκρουση αστέρων νετρονίων. Μια τέτοια σύγκρουση θα διατάραζε την υφή του χώρου, όπως θα διατάραζε την υφή της επιφάνειας μιας λίμνης η ρίψη ενός μεγάλου βράχου σε αυτήν: κυματισμοί θα διαδίδονταν προς όλες τις κατευθύνσεις.

Ήδη από τη δεκαετία του ’60, άρχισε να προαλείφεται η δημιουργία ευαίσθητων μηχανών με ανιχνευτές κατάλληλους για την καταγραφή βαρυτικών κυμάτων. Ταυτόχρονα, σε θεωρητικό επίπεδο, άρχισε να διαφαίνεται όλο και πιο πειστικά η εγκυρότητα της ιδέας των μελανών οπών. Προέκυψε, επί παραδείγματι, ένας φυσικός μηχανισμός παραγωγής μελανών οπών, όπως η έκρηξη πολύ μεγάλων άστρων. Όμως θα έπρεπε να περάσει τουλάχιστον μισός αιώνας ακόμα για να αποδειχθεί πειραματικά και παρατηρησιακά η ύπαρξη και των δύο…

Στις 14 Σεπτεμβρίου του 2015, κατεγράφη για πρώτη φορά ένα βαρυτικό κύμα!

Η ιστορική ένδειξη του βαρυτικού κύματος στους ανιχνευτές του LIGO.

Η ιστορία των αλληλοδιαπλεκόμενων συμβάντων έχει ως εξής: 1,3 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, σε μια εποχή όπου στην αρχέγονη γη κυκλοφορούν προς το παρόν κυρίως μονοκύτταροι οργανισμοί, 2 μαύρες τρύπες στροβιλίζονται η μία γύρω από την άλλη, σε απόσταση 1,3 δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Καθώς περιδινούνται ολοένα και πιο έντονα, τελικά συγκρούονται, και μέσα σε αυτήν τη σύγκρουση, παράγεται ένα κοσμικά κατακλυσμιαίο παλιρροϊκό κύμα! Αυτό το παλιρροϊκό κύμα αρχίζει να διαδίδεται τότε προς όλες τις κατευθύνσεις με την ταχύτητα του φωτός, ενώ ένα μέρος του κατευθύνεται και προς τη γη. Ενόσω ταξιδεύει διασαλεύοντας την υφή του χώρου, απλώνεται παντού, και, όπως απλώνεται προς όλες τις κατευθύνσεις, αραιώνει. Και, καθώς έχει πλησιάσει στα περίπου 100 έτη φωτός, περίπου πριν από 100 χρόνια, ο Αϊνστάιν αρχίζει και σκέφτεται την πιθανότητα ύπαρξης τέτοιων κοσμικών κυμάτων, χωρίς να συνειδητοποιεί ότι ένα τέτοιο σαρωτικό κύμα καταφτάνει τάχιστα στον πλανήτη γη! Κάνει κάποιους υπολογισμούς, αλλά με την τεχνολογία της εποχής θεωρείται αδύνατο για οποιονδήποτε να το καταγράψει. Όταν το κύμα έχει φτάσει στα 50 έτη φωτός, όμως, κάποιοι χτίζουν τους πρώτους ανιχνευτές που θα μπορούσαν πράγματι να ανιχνεύσουν ένα τέτοιο κύμα, και, όταν το κύμα είναι 2 μέρες φωτός μακριά, εγκαινιάζουν τη νέα, ανακαινισμένη έκδοση αυτού του πειράματος. 2 μέρες αργότερα, αυτό το κύμα ξεβράζεται στη Γη και το καταγράφουν για πρώτη φορά! [9]

Η πρώτη ραδιο-φωτογραφία μιας (υπερμαζικής) μαύρης τρύπας από το κέντρο του Γαλαξία M87, που βρίσκεται 55 εκατομμύρια έτη φωτός(!) μακριά.

Δύο μαύρες τρύπες συγκρούστηκαν πριν από 1,3 δισεκατομμύρια χρόνια, και το 2015 το κοσμικό αποτύπωμα αυτής της ασύλληπτης σύγκρουσης φθάνει στον πλανήτη μας ώστε να καταγραφεί, επιβεβαιώνοντας έμμεσα την ύπαρξη των μαύρων τρυπών. 4 χρόνια μετά, την άνοιξη του 2019, μια άνευ προηγουμένου επιστημονική σύμπραξη μετέρχεται μια κοινοπραξία ραδιοτηλεσκόπιων, τοποθετημένων απ’ άκρη σ’ άκρη, σχεδόν σε όλη την υφήλιο. Αυτή η συνεργασία αποδίδει την πρώτη φωτογραφία μιας μαύρης τρύπας, δηλαδή την πρώτη άμεση επιβεβαίωση της ύπαρξης αυτών των σκοτεινών κοσμικών γιγάντων. Άλλη μια απίστευτη πρόβλεψη της σχετικότητας επαληθεύεται μέχρι κεραίας∙ άλλη μια τρελή ιδέα επιστημονικής φαντασίας αποδεικνύεται, εν τέλει, κομμάτι του αληθινού κόσμου που μας περιβάλλει.

Πηγές:

1. Tyson N. deGrass. (2001). Cosmic Horizons: Astronomy at the cutting-edge, New York: New Press.

2. Greene B. (2010). The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory, Νew York: W. W. Norton & Company.

3. Rovelli C. (2016). Επτά σύντομα μαθήματα φυσικής, Αθήνα: Πατάκης.

4. Isaacson W. (2007). Einstein: His Life and Universe, New York: Simon & Schuster.

5. https://www.scientificamerican.com/article/to-test-einsteins-equations-poke-a-black-hole/

6. Ο εύστοχος όσο και πετυχημένος όρος «Μαύρη Τρύπα» πιστώνεται στον Αμερικανό φυσικό John Wheeler.

7. Λόγω της τεράστιας παραμόρφωσης στο χωροχρονικό ύφασμα, στα όρια της μαύρης τρύπας σταματάει-»παγώνει» και ο χρόνος.

8. YouTube – «Entanglement, Black Holes, and Wormholes | An Informal Discussion with Brian Greene» https://www.youtube.com/watch?v=ZXuelZVLdzM

9. YouTube – Brian Greene: «The Nature of Space and Time» – https://www.youtube.com/watch?v=M22MEShcyx8&list=PLKPFYaKfbOf6Hy657wPw9KArEgGs-fXHT&index=55&t=2568s

Σχολιάστε

Συνδεθείτε για να δημοσιεύσετε το σχόλιο σας:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s