Τα τελευταία στάδια ζωής των άστρων
Τα αστέρια είναι τεράστιοι θερμοπυρηνικοί αντιδραστήρες στο εσωτερικό των οποίων παράγεται ενέργεια μέσω σύντηξης. Η ενέργεια αυτή εκπέμπεται στο Διάστημα υπό τη μορφή ορατού φωτός ή άλλων ειδών ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Αυτή η ακτινοβολία, την οποία συνοπτικά ονομάζουμε «φως», είναι όλη η πληροφορία που έχουμε στη διάθεσή μας για να κατανοήσουμε τη φυσική των αστεριών, τα συστατικά τους και τις διεργασίες που λαμβάνουν χώρα σ’ αυτά.
Με τεχνικές που ξεκίνησαν να αναπτύσσονται κατά τον 19ο και τον 20ό αιώνα καταφέραμε να μετατρέψουμε την Αστρονομία από μια πρακτική παρατήρησης και καταγραφής θέσεων και λαμπροτήτων των αστεριών σε μια επιστήμη ανάλυσης του φωτός τους και αντιπαραβολής των ευρημάτων με φυσικές θεωρίες. Κάπως έτσι γεννήθηκε η Αστροφυσική, αν και σήμερα οι όροι Αστρονομία και Αστροφυσική συχνά χρησιμοποιούνται για να υποδηλώσουν την ίδια επιστήμη.
Μελετώντας πώς μοιράζεται η ακτινοβολία που συλλέγουμε από τα αστέρια στα διάφορα μήκη κύματος (για παράδειγμα, στα διάφορα χρώματα, το υπέρυθρο, το υπεριώδες κ.λπ.) μπορούμε να βγάλουμε συμπεράσματα για τη θερμοκρασία στην επιφάνειά τους. Από την άλλη, μέσω των γραμμών απορρόφησης που εμφανίζονται, δηλαδή των τμημάτων που «λείπουν» από αυτή την κατανομή της ακτινοβολίας επειδή κάποια χημικά στοιχεία την απορροφούν, μπορούμε να μάθουμε για την αφθονία των στοιχείων, τις κινήσεις των αστεριών και των στρωμάτων της ατμόσφαιράς τους, την περιστροφή τους κ.λπ. Επειδή κάθε χημικό στοιχείο μπορεί να απορροφήσει ακτινοβολία σε πολύ συγκεκριμένα μήκη κύματος και σε συγκεκριμένες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης, το φάσμα απορρόφησης, δηλαδή το σύνολο των απορροφήσεων που παρουσιάζονται στο φως ενός αστέρα μάς επιτρέπει να κατατάξουμε τους αστέρες σε κατηγορίες. Συγκεντρώνοντας τεράστιο αριθμό παρατηρήσεων και μετά από επίπονη δουλειά δεκαετιών, καταλήξαμε σε μοντέλα που περιγράφουν την εσωτερική δομή των αστεριών και την εξέλιξή τους.
Με βάση αυτά τα μοντέλα, σήμερα γνωρίζουμε ότι η εξέλιξη της ζωής των αστεριών καθορίζεται σημαντικά από τη μάζα τους. Τα μεγάλα σε μάζα αστέρια εξελίσσονται πολύ γρήγορα και οδηγούνται στο τέλος τους πολύ πιο σύντομα απ’ ό,τι τα μεσαίας και μικρής μάζας. Αν και δεν γνωρίζουμε ακόμη πολλές από τις λεπτομέρειες που διέπουν την αστρική εξέλιξη, μπορούμε να σκιαγραφήσουμε εν συντομία παρακάτω κάποιες βασικές πτυχές της.
Κατά τη διάρκεια της «κανονικής» ζωής των αστέρων, το υδρογόνο του πυρήνα τους μετατρέπεται στο στοιχείο ήλιο, παράγοντας τεράστια ενέργεια. Αυτή είναι αρκετή για να εξασφαλίσει τη σταθερότητα των άστρων, αλλιώς αυτά θα κατέρρεαν και θα διαλύονταν υπό το ίδιο τους το βάρος. Ωστόσο, το υδρογόνο στον πυρήνα ενός αστέρα κάποτε εξαντλείται και ο αστέρας θα πρέπει να αναζητήσει άλλη πηγή ενέργειας. Αρχικά, το βάρος του αστέρα συμπιέζει τον πλούσιο σε ήλιο, πλέον, πυρήνα και όταν η θερμοκρασία εκεί αυξηθεί επαρκώς, θα είναι η σύντηξη του ηλίου η διαδικασία που θα παρέχει την απαραίτητη ενέργεια. Η ζωή του αστέρα έχει πάρει πλέον παράταση, αλλά όχι χωρίς τίμημα. Ο αστέρας διαστέλλεται και μετατρέπεται σε έναν ερυθρό γίγαντα σηματοδοτώντας την αναπόφευκτη πορεία προς το αστρικό τέλος. Ακολουθώντας παρόμοια πορεία και εφόσον ο αστέρας έχει επαρκώς μεγάλη μάζα, η πυρηνική σύντηξη θα έχει ως αποτέλεσμα να σχηματίζονται συνεχώς βαρύτερα στοιχεία στο εσωτερικό τού αστέρα. Η διαδικασία αυτή, όμως, έχει ένα όριο. Όταν στον πυρήνα δημιουργηθεί σίδηρος, ο αστέρας πλέον έχει χάσει κάθε εναλλακτική πηγή ενέργειας και οδεύει με βεβαιότητα προς το τέλος της ζωής του.
Το τέλος αυτό σηματοδοτείται, για τα αστέρια με μεγάλη μάζα, από μια εντυπωσιακή κοσμική έκρηξη, η οποία αυξάνει κατά πολύ τη λαμπρότητά του. Ο αστέρας θα λάμψει για μια τελευταία φορά ως ένας υπερκαινοφανής. Το μέρος τού αστέρα που παραμένει συμπιέζεται με βιαιότητα μέχρι να δημιουργηθεί ένας αστέρας νετρονίων ή, αν η μάζα τού εναπομείναντα αστέρα είναι μεγαλύτερη από τρεισήμιση ηλιακές, μια μαύρη τρύπα (μελανή οπή).
Τι είναι μια μαύρη τρύπα;
Οι μαύρες τρύπες (γνωστές και ως μελανές οπές) είναι σώματα στα οποία μια τεράστια ποσότητα μάζας είναι «στριμωγμένη» σε πολύ μικρό χώρο, ώστε να δημιουργεί γύρω του ένα τρομακτικά ισχυρό βαρυτικό πεδίο. Σύμφωνα με τις προβλέψεις της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, ένα τέτοιο πεδίο θα καμπυλώσει τρομακτικά τον χωρόχρονο γύρω του, με αποτέλεσμα οι ευθείες γραμμές που ακολουθεί το φως είναι τόσο καμπυλωμένες ώστε, πρακτικά, το φως δεν μπορεί να ξεφύγει.
Φυσικά, αυτό δεν σημαίνει ότι οι μελανές οπές είναι τεράστιες ρουφήχτρες που απορροφούν τα πάντα γύρω τους, παρ’ όλο που αυτή η παρομοίωση είναι πολύ συνηθισμένη στον δημόσιο λόγο. Το πεδίο βαρύτητας που δημιουργούν οι μαύρες τρύπες, αν και τεράστιο, εξασθενεί με την απόσταση, με αποτέλεσμα σε πολύ μακρινές αποστάσεις αυτές να μην προκαλούν καμία μεταβολή. Το κοντινό τους περιβάλλον, ωστόσο, υφίσταται τις δραματικές συνέπειες της τεράστιας έλξης, ενώ σε μια ακτίνα, που ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων, τίποτα δεν ξεφεύγει από αυτή.
Αυτή η περιγραφή περιλαμβάνει τόσο το πρόβλημα όσο και τη λύση σε ό,τι αφορά τον εντοπισμό τους. Από τη μία, οι μελανές οπές είναι αόρατα αντικείμενα, εφόσον καμία ακτινοβολία δεν θα μπορούσε να τις αφήσει να γίνουν άμεσα αντιληπτές από τους ανιχνευτές μας. Από την άλλη, είναι τόσο ισχυρή η επίδρασή τους στο άμεσο περιβάλλον τους, που μπορεί να γίνουν αντιληπτές μέσω της συμπεριφοράς της ύλης και τυχόν άλλων σωμάτων που βρίσκονται στην εγγύτητά τους.
Οι μαύρες τρύπες που προκύπτουν από τον θάνατο αστεριών με μεγάλη μάζα ονομάζονται αστρικές μαύρες τρύπες. Υπάρχουν όμως και οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, οι οποίες, όπως πιστεύουμε σήμερα, βρίσκονται στο κέντρο των περισσότερων μεγάλων γαλαξιών και έχουν τεράστιες μάζες ακόμα και για τα κοσμικά δεδομένα: από μερικές εκατοντάδες χιλιάδες έως δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου μας.
Οι «χαμένες» αστρικές μελανές οπές του γαλαξία μας και η πιο κοντινή στη γειτονιά μας
Ο γαλαξίας μας εκτιμάται ότι αποτελείται από 100 με 400 δισεκατομμύρια αστέρια. Δεδομένου ότι πολλά από αυτά τα αστέρια τελειώνουν τη ζωή τους ως αστρικές μελανές οπές, αναμένουμε ο αριθμός τους να είναι επίσης τεράστιος. Συγκεκριμένα, τα μοντέλα αστρικής εξέλιξης που έχουμε κατασκευάσει προβλέπουν ότι ανέρχεται σε 100 εκατομμύρια με 1 δισεκατομμύριο. Πόσες όμως από αυτές έχουμε εντοπίσει;
Όπως ήδη αναφέρθηκε, ο εντοπισμός των μελανών οπών βασίζεται στην επίδραση που αυτές έχουν στο άμεσο περιβάλλον τους. Επειδή τα περισσότερα αστέρια είναι μέλη διπλών ή πολλαπλών συστημάτων, δηλαδή δύο ή περισσότερα αστέρια που περιστρέφονται το ένα γύρω από το άλλο, αυτά αποτελούν τον ιδανικό στόχο για τον εντοπισμό πολύ μαζικών, αλλά ταυτόχρονα αμυδρών αντικειμένων, όπως είναι οι μαύρες τρύπες και οι αστέρες νετρονίων. Μια κατηγορία διπλών αστέρων, τα διπλά συστήματα εκπομπής ακτίνων Χ (X-ray binaries) δημιουργούνται όταν το ένα από τα δύο αστέρια είναι πολύ μεγάλο σε μάζα (δηλαδή μαύρη τρύπα ή αστέρας νετρονίων) και βρίσκεται σε τέτοια απόσταση από το συνοδό αστέρι ώστε να συγκεντρώνει γύρω του υλικό από την ατμόσφαιρά του. Σ’ αυτά τα συστήματα, γύρω από τον μαζικό συνοδό σχηματίζεται ένας δίσκος από υλικό που στροβιλίζεται και θερμαίνεται σε τεράστιες θερμοκρασίες, εκπέμποντας ακτίνες Χ. Μόλις μερικές εκατοντάδες τέτοια συστήματα έχουν εντοπιστεί και για τη συντριπτική πλειονότητά τους έχει βρεθεί ότι ο μαζικός συνοδός είναι αστέρας νετρονίων. Αυτό σημαίνει ότι, αντί για εκατοντάδες εκατομμύρια αστρικών μελανών οπών, έχουμε εντοπίσει μόλις μερικές δεκάδες.
Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι μεγάλος αριθμός αστρικών μελανών οπών «κρύβεται» από τα όργανα παρατήρησής μας επειδή αυτές αποτελούν μέλη αστρικών συστημάτων στα οποία δεν υπάρχει ισχυρή αλληλεπίδραση με τον συνοδό αστέρα. Αυτό σημαίνει ότι θα πρέπει να βρεθεί ένας άλλος τρόπος εντοπισμού τους σ’ αυτά τα συστήματα, ο οποίος να μην στηρίζεται μόνο στην παρατήρηση πολύ ενεργητικών φαινομένων, αλλά στην πιο λεπτομερή ανάλυση των κινήσεων των μελών των συστημάτων αυτών.
Αυτή είναι η περίπτωση μιας πρόσφατης μελέτης που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό «Astronomy & Astrophysics» από ερευνητές του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Αστρονομικής Έρευνας του Νότιου Ημισφαιρίου (European Southern Observatory), της Τσεχικής Ακαδημίας Επιστημών και του Αστεροσκοπείου του Mount Wilson των ΗΠΑ. Η μελέτη διερεύνησε τις ιδιότητες ενός τριπλού συστήματος αστέρων, στο οποίο τα δύο σώματα περιστρέφονται το ένα γύρω από τα άλλο, ενώ γύρω τους και σε μεγάλη απόσταση βρίσκεται ένα τρίτο συνοδό αστέρι.
Το αστρικό σύστημα που μελετήθηκε είναι ορατό με γυμνό μάτι ως ένας αστέρας από το νότιο ημισφαίριο και βρίσκεται στον αστερισμό του Τηλεσκοπίου, με το όνομα QV Tel. Η χρήση κεφαλαίων λατινικών γραμμάτων στο όνομα αυτών των αστεριών συνήθως υποδηλώνει ότι αυτά είναι μεταβλητά. Η μελέτη τού φωτός τού αστέρα μέσα στην προηγούμενη δεκαετία έδειξε ότι αυτό περιέχει συνεισφορά από ένα δεύτερο αστέρι, ενώ περαιτέρω μελέτη έδειξε ότι αυτό το δεύτερο αστέρι περιστρέφεται με τη σειρά του γύρω από έναν «αόρατο» συνοδό. Οι ερευνητές επεξεργάστηκαν τα φάσματα απορρόφησης και εκπομπής τού αστρικού συστήματος τα οποία συγκέντρωσαν κατά τη διάρκεια πολλών νυχτών παρατήρησης από το αστεροσκοπείο La Silla της Χιλής. Από τις μεταβολές που αυτά τα φάσματα παρουσίαζαν κατάφεραν να προσδιορίσουν τη μάζα του «αόρατου» συνοδού, την οποία εκτίμησαν πως είναι ίση περίπου τέσσερις έως πέντε φορές με τη μάζα του Ήλιου. Δεδομένης της απόστασης του συστήματος, μια τέτοια μάζα μπορεί να είναι αόρατη μόνο αν είναι μια μελανή οπή.
Η σημασία της μελέτης είναι διπλή. Από τη μία, εντοπίστηκε η κοντινότερη μελανή οπή στο ηλιακό μας σύστημα, σε απόσταση περίπου χιλίων ετών φωτός. Από την άλλη, το τριπλό σύστημα που μελετήθηκε μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πρότυπο ώστε περισσότερες παρατηρήσεις σε αντίστοιχα συστήματα αστέρων να αποκαλύψουν την τυχόν ύπαρξη μαύρων τρυπών ως αόρατους συνοδούς. Κάτι τέτοιο θα μας βοηθήσει να εντοπίσουμε τις «χαμένες» μελανές οπές που προβλέπουν τα θεωρητικά μοντέλα.
Γιάννης Κοντογιάννης
Th. Rivinius, D. Baade, P. Hadrava, M. Heida, and R. Klement, “A naked-eye triple system with a nonaccreting black hole in the inner binary”, «Astronomy & Astrophysics», 637, L3, 2020, https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2020/05/aa38020-20.pdf
Χ. Βάρβογλη, Γ. Σειραδάκη, «Εισαγωγή στη Σύγχρονη Αστρονομία», εκδόσεις Γαρταγάνης, τρίτη έκδοση, 1994.
Στηρίξτε την έγκυρη και μαχητική ενημέρωση. Στηρίξτε την Αυγή. Μπείτε στο syndromes.avgi.gr και αποκτήστε ηλεκτρονική συνδρομή στο 50% της τιμής.
