Αστροφυσικοί από την Κρήτη θα προσπαθήσουν να ακούσουν τις φωτεινές μαύρες τρύπες

Διαβάζω στον Τύπο για μια «φονική» υπερμεγέθη μαύρη τρύπα με μάζα ίση περίπου με 17 δισεκατομμύρια ήλιους, που μόλις παρατηρήθηκε στο κέντρο ενός μακρινού γαλαξία, η οποία, σύμφωνα με το δημοσίευμα, είναι ικανή να καταβροχθίζει έναν Ήλιο κάθε ημέρα (!), και ρωτάω την Ελληνίδα αστροφυσικό στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, Μαρία Χαρίση να μου πει που σταματάει η αλήθεια και που αρχίζει η υπερβολή.

«Οι μαύρες τρύπες, όπως και οτιδήποτε εξωτικό έχουν μια γοητεία. Η συγκεκριμένη ήταν αρκετά ακραία, γενικά οι μαύρες τρύπες είναι ακραία αντικείμενα στη φύση και για αυτό τραβούν την προσοχή τόσο των επιστημόνων όσο και του κοινού. Οι μαύρες τρύπες έχουν πολύ ισχυρή βαρύτητα και μοναδικές ιδιότητες και οτιδήποτε τις πλησιάσει αρκετά κοντά (φτάσει στον “ορίζοντα γεγονότων” όπως λένε οι φυσικοί) δεν μπορεί να ξεφύγει από τη βαρύτητά τους, ούτε καν το ίδιο το φως. Γι’ αυτό άλλωστε αναμένουμε να είναι σκοτεινές και τις λέμε μαύρες τρύπες. Τη συγκεκριμένη μαύρη τρύπα δεν την είχαμε προσέξει, πιθανότατα επειδή τη θεωρούσαμε ως κάποιο αστέρι στον Γαλαξία μας. Έτσι φτάσαμε στο 2023 για να ανακαλύψουμε ότι ήταν μαύρη τρύπα στο κέντρο ενός κβάζαρ. Η μάζα της συγκεκριμένης μαύρης τρύπας ήταν μεγαλύτερη από αυτές που έχουμε συνηθίσει να βλέπουμε. Από άποψη φωτεινότητας είναι ο πιο ακραίος κβάζαρ που έχουμε παρατηρήσει, αλλά δεν είναι αυτός που μας δυσκολεύει περισσότερο στην ερμηνεία του, ούτε είναι η μεγαλύτερη μαύρη τρύπα που έχουμε δει ποτέ», εξηγεί.

Τα κβάζαρ παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά πριν σχεδόν 60 χρόνια και αρχικά οι αστρονόμοι τα θεωρούσαν ως αστέρια (quasar από την αγγλική λέξη quasi-star δηλαδή ημι-αστέρες). Ο όρος περιγράφει έναν συγκεκριμένο τύπο πολύ ενεργού γαλαξιακού πυρήνα ο οποίος ακτινοβολεί λόγω του ότι μια τεράστια μαύρη τρύπα στο κέντρο του τραβάει την ύλη προς τα πάνω της με εκπληκτικό ρυθμό. Η διαδικασία αυτή εκπέμπει τεράστια ποσότητα φωτός, που ακόμη και ένα αντικείμενο τόσο απομακρυσμένο όπως η συγκεκριμένη του δημοσιεύματος, η οποία ανακαλύφθηκε από το διαστημικό τηλεσκόπιο Gaia, είναι ορατή και από επίγεια επιστημονικά όργανα. Μόνο που το φως που παρατηρούμε έχει φύγει από εκεί 12 δισεκατομμύρια χρόνια νωρίτερα!.

Με εξειδίκευση στις μαύρες τρύπες

Η καθηγήτρια Μαρία Χαρίση συμπεριλαμβάνεται στην ομάδα των πιο ειδικών στη μελέτη των μελανών οπών διεθνώς, επομένως είναι η ιδανική πηγή για όποιον επιθυμεί να μάθει τα πάντα για αυτές. Μάλιστα η Ελληνίδα αστροφυσικός δεν μελετάει απλά τις μονές μαύρες τρύπες, αλλά εστιάζει στις διπλές, οι οποίες μάλιστα εκπέμπουν και έναν “θόρυβο” σαν βουητό, με τη μορφή βαρυτικών κυμάτων!

«Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες (με μάζα εκατομμύρια έως δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου) πιστεύεται ότι βρίσκονται στα κέντρα των μεγαλύτερων γαλαξιών στο Σύμπαν. Όταν συγχωνεύονται δύο υπερμεγέθεις γαλαξίες οι μαύρες τρύπες από τον καθένα, βυθίζονται στο κέντρο του νεοσχηματιζόμενου γαλαξία μέχρι να ενωθούν. Εν τω μεταξύ, η αργή αυτή διαδικασία τεντώνει και συμπιέζει το «ύφασμα» του χωροχρόνου, δημιουργώντας βαρυτικά κύματα που διαδίδονται μακριά από τον γαλαξία προέλευσής τους, όπως οι κυματισμοί στην επιφάνεια μιας λίμνης όταν της ρίξουμε μια μικρή πέτρα, φτάνοντας τελικά στον δικό μας», εξηγεί η επιστήμονας.

Έχει ενδιαφέρον το γεγονός ότι αυτά τα διπλά συστήματα υπερμεγεθών μελανών οπών, παρά τις έρευνες δεκαετιών, δεν μπορούν ακόμη να εντοπιστούν. Ακριβώς σε αυτό το θέμα θα επικεντρωθεί η δρ Χαρίση με τον ερχομό της τον Μάιο στην Ελλάδα και συγκεκριμένα στο Ινστιτούτο Αστροφυσικής του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ), στο Ηράκλειο της Κρήτης, όπου θα περνά τον μισό χρόνο της για την επόμενη πενταετία. Στόχος της ομάδας που θα συστήσει εκεί είναι η ανίχνευση, για πρώτη φορά, διπλών συστημάτων υπερμεγεθών μελανών οπών, οι οποίες εκπέμπουν βαρυτικά κύματα αλλά και έντονο φως.

Η ερευνητική αυτή προσπάθεια της νεαρής αστροφυσικού θα υποστηριχτεί με χρηματοδότηση από το ιδιαίτερα ανταγωνιστικό πρόγραμμα του Ευρωπαϊκού Συμβουλίου Έρευνας ERC Starting Grant, ύψους 1,7 εκατομμυρίων ευρώ για πέντε έτη, την οποία απέσπασε πρόσφατα. Και αυτό είναι είδηση!

Τα ERC Starting Grants χορηγούνται σε ταλαντούχους νέους επιστήμονες, οι οποίοι έχουν ήδη παραγάγει εξαιρετικό έργο και μπορούν να ηγηθούν στο επιστημονικό τους πεδίο. Και η καθηγήτρια Μαρία Χαρίση είναι μια από αυτούς.

Οι φωτεινές μαύρες τρύπες

Η δρ Χαρίση εξηγεί αναλυτικά ότι σε πολλά κέντρα γαλαξιών υπάρχει γύρω από τη μαύρη τρύπα αρκετή αστρική ύλη (αέριο ή και αστέρια) την οποία η μαύρη τρύπα τη “ρουφάει”. Επειδή η βαρύτητα είναι πολύ έντονη γύρω από τη μαύρη τρύπα, τα σωματίδια (του αερίου) κινούνται με πολύ μεγάλες ταχύτητες και πριν πέσουν μέσα της εκτελούν μια σπειροειδή κίνηση, όπως το νερό σε ένα νιπτήρα, δημιουργώντας έναν δίσκο ύλης. Πριν περάσουν από τον ορίζοντα των γεγονότων, δηλαδή από το σημείο όπου δεν υπάρχει επιστροφή, τα σωματίδια διαλύονται, τρίβονται και θερμαίνονται σε υψηλές θερμοκρασίες με αποτέλεσμα να ακτινοβολούν. Και εδώ προκύπτει το παράδοξο: οι μαύρες τρύπες στην ουσία δεν είναι καθόλου μαύρες, αντιθέτως είναι πολύ φωτεινές γιατί αλληλοεπιδρούν έντονα με ό,τι βρίσκεται γύρω τους.

«Εάν υπολογίσουμε τη μάζα μιας μαύρης τρύπας και μετά τη φωτεινότητά της μπορούμε να υπολογίσουμε πόσο αέριο υλικό έχει “ρουφήξει”, δηλαδή πόσο “φονική”, όπως συχνά λέμε, είναι», συμπληρώνει η ίδια.
Αυτό που ενδιαφέρει την αστροφυσικό είναι το πώς οι γαλαξίες και οι υπερμεγέθεις μελανές οπές που βρίσκονται στους πυρήνες τους σχηματίζονται και εξελίσσονται. Ειδικότερα θέλει να μάθει, όπως και άλλοι ερευνητές του ταχέως αναπτυσσόμενου πεδίου της που ονομάζεται “αστρονομία πολλαπλών αγγελιοφόρων” (“multi-messenger astronomy”) τι γίνεται όταν οι μαύρες τρύπες μετά τις συγκρούσεις δυο γαλαξιών έρχονται πολύ κοντά η μια στην άλλη και δημιουργούν ένα σύστημα που εκπέμπει πολύ έντονη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και βαρυτικά κύματα.

«Στο τελευταίο στάδιο της εξέλιξης τους, αυτά τα διπλά συστήματα εκπέμπουν πολύ έντονη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και μπορούν να ανιχνευτούν ως κβάζαρ, των οποίων η φωτεινότητα μεταβάλλεται περιοδικά. Παράλληλα, εκπέμπουν και βαρυτικά κύματα χαμηλής συχνότητας τα οποία μπορούν να παρατηρηθούν από έναν ανιχνευτή γαλαξιακών διαστάσεων τον οποίο μας “προσφέρει δωρεάν” το ίδιο το Σύμπαν. Αυτός βασίζεται στους γνωστούς πάλσαρ, τους περιστρεφόμενους αστέρες νετρονίων, που αποτελούν τα πιο ακριβή ρολόγια της φύσης», περιγράφει η ίδια.

Οι αστρονόμοι έχουν αναπτύξει τεχνικές ανάλυσης των παλμών που στέλνουν αυτά τα ρολόγια της φύσης και ειδικότερα μία μέθοδο που ονομάζεται συστοιχία χρονομέτρησης πάλσαρ. Καθώς τα βαρυτικά κύματα διαδίδονται στο Σύμπαν και διαπερνούν την περιοχή όπου βρίσκονται οι πάλσαρ, μεταβάλλουν ελάχιστα την απόσταση ανάμεσα σε αυτούς και τη Γη, αλλάζοντας έτσι τον χρόνο άφιξης των παλμών τους, γεγονός που επιτρέπει στους αστρονόμους να προσδιορίσουν την ευρύτερη περιοχή από την οποία προέρχονται.

Το πρόγραμμα ERC της Μαρίας Χαρίση, συνδυάζοντας τις μετρήσεις αυτές με παρατηρήσεις της μεταβλητότητας όλων των κβάζαρ που βρίσκονται σε αυτήν την ίδια περιοχή, φιλοδοξεί να προσδιορίσει επακριβώς το διπλό σύστημα που εκπέμπει τα βαρυτικά κύματα. Γι’ αυτόν τον σκοπό, η ομάδα της στην Κρήτη θα αναπτύξει καινούργιες τεχνικές μηχανικής μάθησης και θα τις εφαρμόσει σε δεδομένα από πολλά τηλεσκοπία, συμπεριλαμβανομένου και του νέου τηλεσκοπίου Vera Rubin στη Χιλή που θα αρχίσει να λειτουργεί από το 2024, όπως επίσης και σε δεδομένα ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων από τις συστοιχίες χρονομέτρησης πάλσαρ των οποίων η ευαισθησία συνεχώς βελτιώνεται.
Focus στα βαρυτικά κύματα

H Τρικαλινή στην καταγωγή Μαρία Χαρίση από μικρή, όπως λέει, ήταν καλή στη Φυσική και τα Μαθηματικά, όπως και οι υπόλοιπες τρείς αδερφές της. Ένας καθηγητής στο Λύκειο και ένας αστροφυσικός στο πανεπιστήμιο την ενέπνευσαν να ακολουθήσει αυτόν τον τομέα. Αποφοίτησε από το τμήμα Φυσικής του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και συνέχισε να σπουδάζει αστρονομία στο πανεπιστήμιο Columbia στην Νέα Υόρκη. Εκπόνησε τη διδακτορική της διατριβή στην ανίχνευση διπλών συστημάτων υπερμεγεθών μελανών οπών με παρατηρήσεις ηλεκτρομαγνητικών τηλεσκοπίων, όταν ακόμη αυτή η ερευνητική περιοχή ήταν στα σπάργανα. Συνέχισε μεταδιδακτορική έρευνα στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνια (Caltech) στο Λος Άντζελες με υποτροφία από την επιστημονική ομάδα NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves), όπου εκεί είχε την ευκαιρία να εμβαθύνει στη μελέτη βαρυτικών κυμάτων που εκπέμπονται από αυτά τα διπλά συστήματα.

Όπως λέει η ίδια, η πρώτη ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων ήταν αυτό που της έκανε το μεγάλο «κλικ», αυτό που την εξίταρε. Παρότι τα βαρυτικά κύματα ως ιδέα προϋπήρχαν περισσότερο από 100 χρόνια, η παρατήρησή τους ξεκίνησε τα τελευταία 9 χρόνια: «Οι πρώτες παρατηρήσεις ήταν από διπλά συστήματα μαύρων τρυπών αστρικής προέλευσης με μάζα κάποιες φορές τη μάζα του Ήλιου. Αυτά τα φευγαλέα βαρυτικά κύματα υψηλής συχνότητας παρατηρούνται από επίγεια όργανα όπως το LIGO (το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολόμετρου Λέιζερ). Τα βαρυτικά κύματα από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που εκπέμπουν σε χαμηλότερες συχνότητες δεν μπορούν να ανιχνευτούν στη Γη και μόνο το περασμένο καλοκαίρι είχαμε την πρώτη ένδειξη ότι υπάρχει ένα πληθυσμός τέτοιων συστημάτων».

Συγκεκριμένα, αστροφυσικοί που χρησιμοποιούν μεγάλα ραδιοτηλεσκόπια συμπεριλαμβανομένου του γαλαξιακής διάστασης ανιχνευτή (δηλαδή τη συστοιχία χρονομέτρησης πάλσαρ) κατέγραψαν τον Ιούνιο του 2023 τις πρώτες ενδείξεις για βαρυτικά κύματα που ταλαντώνονται με περιόδους ετών έως δεκαετιών, και προχώρησαν στις σχετικές δημοσιεύσεις στο επιστημονικό περιοδικό The Astrophysical Journal Letters.

Το σήμα βαρυτικών κυμάτων εντοπίστηκε σε 15 χρόνια δεδομένων παρατηρήσεων από πάλσαρ που αποκτήθηκαν από το Βορειοαμερικανικό Παρατηρητήριο NANOGrav. Πρόκειται για μια συνεργασία περισσότερων από 190 επιστημόνων από τις ΗΠΑ και τον Καναδά, στην οποία συμμετέχει η Ελληνίδα καθηγήτρια, οι οποίοι χρησιμοποιούν τα πάλσαρ για να ανακαλύψουν βαρυτικά κύματα. Παρόμοια αποτελέσματα ανακοίνωσαν ταυτόχρονα κι άλλες ομάδες παγκοσμίως, από την Ευρώπη και την Ινδία, από την Αυστραλία και από την Κίνα.

Ενώ παλαιότερα αποτελέσματα από το NANOGrav είχαν αποκαλύψει ένα αινιγματικό σήμα κοινό για όλα τα πάλσαρ που παρατηρήθηκαν, αυτό ήταν πολύ αχνό για να αποκαλύψει την προέλευσή του. Η 15χρονη προσπάθεια του NANOGrav συνέλεξε δεδομένα από 68 πάλσαρ για να σχηματίσει τον ανιχνευτή που ονομάζεται συστοιχία χρονομέτρησης πάλσαρ. Η δημοσίευση δεδομένων 15 ετών έδειξε ότι το σήμα είναι συνεπές με αργά βαρυτικά κύματα που διέρχονται από τον Γαλαξία μας, ανοίγοντας ένα εντελώς νέο παράθυρο στο σύμπαν των βαρυτικών κυμάτων.

Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν προβλέπει επακριβώς πώς τα βαρυτικά κύματα θα πρέπει να επηρεάσουν τα σήματα των πάλσαρ. Με το τέντωμα και τη συμπίεση του ιστού του διαστήματος, τα βαρυτικά κύματα επηρεάζουν το χρόνο άφιξης στη Γη του κάθε παλμού με μικρό αλλά προβλέψιμο τρόπο, καθυστερώντας κάποιους ενώ επιταχύνοντας άλλους. Αυτές οι μετατοπίσεις συσχετίζονται για όλα τα ζεύγη πάλσαρ με τρόπο που εξαρτάται από τη θέση που έχουν τα δύο περιστρεφόμενα αστέρια νετρονίων στον ουρανό.

«Ο μεγάλος αριθμός πάλσαρ που χρησιμοποιήθηκαν στην ανάλυση NANOGrav επέτρεψε στους επιστήμονες να δουν τα πρώτα σημάδια του προτύπου συσχέτισης που προβλέπεται από τη γενική σχετικότητα. Και αυτό ήταν πολύ σημαντικό», συμπληρώνει η Δρ Χαρίση, η οποία, εκτός από μέλος της NANOGrav Collaboration, είναι επίσης μέλος της Pulsar Timing Array, της Κοινοπραξίας LISA, της Επιστημονικής Συνεργασίας Vera C. Rubin Observatory (μέχρι πρότινος Large Synoptic Survey Telescope, LSST) και της Active Galactic Nucleus (AGN) που εστιάζει στη μελέτη ενεργών γαλαξιακών πυρήνων.

Αξίζει να αναφερθεί ότι το Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ) κατέχει τον μεγαλύτερο αριθμό χρηματοδοτούμενων έργων ERC (περισσότερα από 40) που είναι σχεδόν τα μισά από όσα έχουν δοθεί σε ερευνητές στην Ελλάδα. Όσον αφορά το Ινστιτούτο Αστροφυσικής, παρά το μικρό του μέγεθος (αριθμεί μόλις 5 ερευνητές και 4 συνεργαζόμενα μέλη ΔΕΠ από το Πανεπιστήμιο Κρήτης), φιλοξενεί τα 5 από τα 6 ERC που έχουν απονεμηθεί στη θεματική περιοχή της αστρονομίας στην Ελλάδα. Και αυτό από μόνο του είναι είδηση!