Μελανή Οπή

Πρόκειται για ένα αστρικό "πτώμα", υπέρπυκνο αντικείμενο που προβλέπεται απο τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Πρωτοπροτάθηκε γύρω στα 1783 (John Michell) ως αντικείμενο για το οποίο η ταχύτητα διαφυγής είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός. Επανήλθε με την διατύπωση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας σαν λύση των εξισώσεων της θεωρίας.

Δημιουργία μελανών οπών

Τρεις είναι οι βασικοί τρόποι που έχουν προταθεί για τη δημιουργία των μελανών οπών.

Αστρική κατάρρευση

Όταν ένα αστέρι φτάσει στα τελευταία στάδια της εξέλιξης του και η μάζα που απομένει ξεπερνάει τις 3.5 Ηλιακές Μάζες τότε η πίεση εκφυλισμένων σωματιδίων δεν μπορεί να συγκρατήσει τη βαρυτική κατάρρευση με αποτέλεσμα το αντικείμενο θεωρητικά να συστέλλεται στο διηνεκές. Όταν η φυσική διάσταση του σώματος γίνει μικρότερη της ακτίνας Schwarzschild που ισούται με τότε η ταχύτητα διαφυγής εξισώνεται με την ταχύτητα του φωτός με συνέπεια τίποτα να μην μπορεί να διαφύγει από το αντικείμενο. Πρόκειται για μια εξήγηση με βάση την κλασική φυσική. Στη σχετικιστική περιγραφή αυτό που συμβαίνει είναι ότι ο χώρος στρεβλώνεται σε τέτοιο βαθμό με αποτέλεσμα η μετατόπιση προς το ερυθρό να απειρίζεται και κανένα φωτόνιο να μη μπορεί να διαφύγει.

Μελανές οπές στους πυρήνες των γαλαξιών

Έχει διαπιστωθεί ότι στους περισσότερους γαλαξίες βρίσκεται μια γιγαντιαία μελανή οπή, με μάζα αρκετά εκατομμύρια Ηλιακές Μάζες. Η μελανή οπή αυτή δημιουργήθηκε παράλληλα με τη δημιουργία του γαλαξία. Πιθανολογείται ότι αποτελούν την πηγή της ακτινοβολίας των Quasars.

Αρχέγονες Μελανές οπές

Δημιουργήθηκαν στα πρώτα στάδια της δημιουργίας του Σύμπαντος, έχουν απειροελάχιστη μάζα και διαστάσεις. Ακόμη δεν έχουν επιβεβαιωθεί παρατηρησιακά, αλλά παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον.

Παρατήρηση Μελανής Οπής

Είναι προφανές οτι η παρατήρηση μίας μελανής οπής δεν είναι εύκολη υπόθεση.Αυτό οφείλεται κυρίως στο οτι δεν είναι εύκολο να ταυτισθεί μια μελανή οπή με ένα οπτικά παρατηρήσιμο αντικείμενο.Οι προσπάθειες κατευθύνονται προς την έμμεση παρατήρηση των μελανών οπών και δη από τη βαρυτική επίδραση που ασκούν στο περιβάλλον τους. Συγκεκριμένα, μπορούμε να παρατηρήσουμε:

• Μια μελανή οπή μέσα σ'ένα μεσοαστρικό νέφος. Το μεσοαστρικό νεφος έλκεται και πέφτει μέσα στη μελανή οπή. Κατά τη διάρκεια του φαινομένου θερμαινεται και εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, το μεγαλύτερο μέρος της οποίας διαφεύγει της βαρυτικής έλξης και καθιστά την οπή ανιχνεύσιμη. Μία μεγαλης μάζας οπή στο κέντρο ενός σμήνους ειναι δυνατόν να προκαλέσει δύο παρατηρήσιμα φαινόμενα:1)λόγω του βαρυτικού πεδιου να εμφανιστεί αυξημένη πυκνότητα κατανομής στη κεντρική περιοχή,με επακόλουθη αύξηση της λαμπρότητας και 2) εκπομπή ασκτίνων Χ λόγω προσαύξησης της ύλης πάνω στην μελανή οπή.

• την ακτινοβολία βαρύτητας που εκπέμπεται κατά τις εκρήξεις των υπερκαινοφανών ή άλλα φαινόμενα π.χ. την εκπομπή jets από ορισμένους γαλαξίες, φαινόμενα σχετιζόμενα με τη κατάρρευση, τις συγκρούσεις μελανών οπών κ.λ.π.

• μία μελανή οπή, μέλος ενός διπλού αστέρα, το άλλο μέλος του οποίου να είναι ένας συνηθισμένος αστέρας, σε απόσταση από αυτή, αρκετά μεγάλη σε σχέση με την ακτίνα του, μέσω βαρυτικών παρέλξεων . Τυπικό παράδειγμα είναι το σύστημα ε-Aurigae. Οι μάζες των μελών του είναι περίπου 12-25 ηλιακές μάζες του συνηθισμένου αστέρα και 12-18 μάζες, του αόρατου συνοδού του. Ωστόσο το ζεύγος αυτό χρηζει περαιτέρω παρατήρησης.

• την ακτινοβολία Χ η οποία εκπέμπεται από φυσικά στενά ζεύγη αστέρων. Τα ζεύγη αυτά αποτελούνται συνήθως από έναν συνήθη αστέρα μεγάλων διαστάσεων,ο οποίος δεν εκπέμπει ακτίνες Χ, γύρω από τον οποίο κινείται σε κλειστή τροχιά ένας συμπαγής αστέρας, δηλαδή ένας λευκός νάνος ή ένας αστέρας νετρονίων ή μια μελανή οπή. Ο συνοδός είναι αόρατος η δε ύπαρξή του διαπιστώνεται από τη περιοδική μετατόπιση των φασματικών γραμμών του ορατού μέλους.

• Βαρυτικούς φακούς που προκαλούν απότομες αλλαγές στη φωτεινότητα αστεριών όταν μία μελανή οπή περάσει μπροστά από την ευθεία παρατήρησης του αστέρα.

Ιδιαίτερα Χαρακτηριστικά

• Μάζα

• Στροφορμή

• Ηλεκτρικό Φορτίο

Με την γνώση των παραπάνω τριών προσδιορίζεται πλήρως η συμπεριφορά της.

Είδη μελανών οπών

Διακρίνουμε τέσσερα είδη μελανών οπών:

1. Μελανή Οπή Schwarzschild

• Η απλούστερη λύση της Γενικής Σχετικότητας.
• Περιβάλλεται από βαρυτικό πεδίο (έχει μάζα).
• Δεν περιβάλλεται από ηλεκτρικό πεδίο (δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο).
• Δεν περιστρέφεται (δεν έχει στροφορμή).

2. Μελανή Οπή Reissner-Nordstrom

• Περιβάλλεται από Βαρυτικό Πεδίο (έχει μάζα).
• Περιβάλλεται από Ηλεκτρικό Πεδίο (έχει ηλεκτρικό φορτίο).
• Δεν περιστρέφεται (δεν έχει στροφορμή).

3. Μελανή Οπή Kerr

• Περιβάλλεται από Βαρυτικό Πεδίο (έχει μάζα).
• Δεν περιβάλλεται από Ηλεκτρικό Πεδίο (δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο).
• Περιστρέφεται (έχει στροφορμή).

4. Μελανή Οπή Kerr-Neumann

• Περιβάλλεται από Βαρυτικό Πεδίο (έχει μάζα).
• Περιβάλλεται από Ηλεκτρικό Πεδίο (έχει ηλεκτρικό φορτίο).
• Περιστρέφεται (έχει στροφορμή).

Χωροχρονικές επιδράσεις

• Κοντά στον ορίζοντα της μελανής οπής ο χρόνος κυλά βραδύτερα.

• Ο χώρος διαστέλλεται.

• Οι φωτεινές ακτίνες μετατοπίζονται προς το ερυθρό.

• Εμφάνιση έντονων παλιρροιακών δυνάμεων.

Εξαέρωση μελανών οπών-Ακτινοβολία Hawking

Η ακτινοβολία Hawking προκύπτει από τον συνδυασμό της θεωρίας της σχετικότητας, της κβαντομηχανικής και της θερμοδυναμικής.

Που στηρίζεται: Από τις αρχές κβαντομηχανικής μαθαίνουμε ότι η πιθανότητα να εμφανιστεί ένα γεγονός δεν είναι ποτέ μηδενική. Μπορεί δηλαδή για παράδειγμα να έχουμε τη δημιουργία ενός σωματιδίου από το «τίποτα». Στην πραγματικότητα αυτό που νομίζουμε σαν "άδειο"/"κενό" χώρο δεν είναι στην πραγματικότητα καθόλου κενός. Τον γεμίζει μια θάλασσα εικονικών (virtual) βραχύβιων σωματιδίων (μικρά κβαντικά σωματίδια που μεταφέρουν ακτινοβολία και βαρύτητα) που είναι σχεδόν, αλλά όχι εντελώς, πραγματικά. Είναι εν δυνάμει σωματίδια που μπορεί ξαφνικά να εμφανιστούν. To φαινόμενο λέγεται κβαντική διακύμανση κενού και έχει παρατηρηθεί σε εργαστήρια/επιταχυντές.

Σε ορισμένα ασυνήθιστα περιβάλλοντα, όπως είναι τα ισχυρά βαρυτικά πεδία που παράγονται από μαύρες τρύπες μπορούν να "δανειστούν" ενέργεια από το γειτονικό τους χώρο και να γίνουν προσωρινά πραγματικά σωματίδια. Όταν τα εικονικά σωματίδια φανερωθούν, εμφανιστούν δηλαδή στον πραγματικό κόσμο, πρέπει να είναι σε μορφή ζεύγους, ενός σωματίου και του αντισωματίου του. Αυτά μετά από ένα απειροελάχιστο χρόνο εξαϋλώνονται για να μην έχουμε παραβίαση της αρχής διατήρησης της ενέργειας και απελευθερώνουν την ενέργειά τους πίσω στο κενό. Τι γίνεται: Τα εικονικά σωματίδια μπορούν να δανειστούν ενέργεια από μια μαύρη τρύπα και να υλοποιηθούν ακριβώς στην άκρη του ορίζοντα γεγονότος μιας μαύρης τρύπας. Δηλαδή, το όριο που χωρίζει το "εσωτερικό" από το "εξωτερικό" χώρο μιας μαύρης τρύπας. Όταν αυτό συμβεί, το ένα σωμάτιο μερικές φορές πέφτει μέσα στη μαύρη τρύπα (προς το χώρο της ανωμαλίας ή ιδιομορφίας), ενώ το άλλο διαφεύγει. Όπως βλέπουμε στην παρακάτω εικόνα όπου σωμάτιο (p) - αντισωμάτιο (a):

Αποτέλεσμα; Χωρίς τον εικονικό συνεργάτη του, το σωματίδιο που διαφεύγει γίνεται πραγματικό σωματίδιο και μεταφέρει μακριά (έξω από τη μαύρη τρύπα) ένα πολύ μικρό μέρος της μάζας - ενέργειας της μαύρης τρύπας. Έτσι αυτό το σωματίδιο καταναλίσκει περισσότερη ενέργεια από αυτή που έχει, και έτσι συνεισφέρει "αρνητική ενέργεια" στη μαύρη τρύπα. Μπορεί λοιπόν, σε ένα μεγάλο χρονικό διάστημα, πολλαπλάσιου της ηλικίας του σύμπαντος ( χρόνια), η μαύρη τρύπα τελικά να εξατμιστεί, χάνοντας όλη της την ενέργεια, χάρις στα διαφύγοντα σωματίδια.

Η Ακτινοβολία Hawking όπως ονομάζεται είναι εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευθεί, ίσως να μην γίνει ποτέ, είναι θεωρητική πρόβλεψη που έχει βέβαια ισχυρές βάσεις (λόγω της εγκυρότητας των επιμέρους κλάδων απ’ τους οποίους προκύπτει) και είναι πολύ πιθανό να συμβαίνει.