Search
Tuesday, November 21, 2017 ..:: Articles » M87 ::..   Login

 

Σήμερα με αφορμή τις τρείς παρακάτω φωτογραφίες από το αστεροσκοπείο μου θα μιλήσουμε για τις Μελανές οπές που αναπτύσσονται στα κέντρα των Γιγαντιαίων γαλαξιών. Αφορμή θα σταθεί ο γαλαξίας Μ87 στο σμήνος της παρθένου.

Στην πρώτη φωτογραφία βλέπουμε μια αλυσίδα από γαλαξίες με την ονομασία Markarian's Chain που βρίσκεται στην καρδιά του σμήνους της παρθένου και περιλαμβάνει από δεξιά προς αριστερά τους γιγαντιαίους ελλειπτικούς Μ84 και Μ86 και κάτω αριστερά τον Μ87.

Στην δεύτερη φωτογραφία φαίνεται ο γαλαξίας Μ87 μαζί με3 μικρότερους ελλειπτικούς γαλαξίες γύρω του. Ο Μ87 βρίσκεται σε μια απόσταση 57 εκατομμύρια έτη φωτός και κατηγοριοποιείται σαν cD Υπεργίγαντας ή κεντρικά υπερέχων γαλαξίας. Μπορείτε να συγκρίνετε το μέγεθός του με τον επίσης ελλειπτικό NGC 4478 που βρίσκεται σε μια απόσταση περίπου 53 εκατομύρια έτη φωτός , περίπου την ίδια με αυτή του Μ87 και  βρίσκεται λίγο πιο πάνω και δεξιά του Μ87.

Ένα από τα χαρακτηριστικά του που τον κάνουν να ξεχωρίζει είναι ο αριθμός των σφαιρωτών σμηνών που περιέχει περί τις 12000 σε σύγκριση με τα 150-200 που περιέχει ο δικός μας γαλαξίας.

Έχουμε εξηγήσει σε άλλο άρθρο μας, για τους ελλειπτικούς γαλαξίες ότι συνήθως στα ώριμα σμήνη γαλαξιών όπως αυτό της παρθένου, το κέντρο τους κυριαρχείται από γιγαντιαίους  cD ελλειπτικούς γαλαξίες οι οποίοι συνήθως έχουν προέλθει από συγχωνεύσεις μικρότερων γαλαξιών.  http://geonik.homeip.net/home/Articles/GalaxyClusters/tabid/387/Default.aspx

Ο Μ87 είναι λοιπόν είναι ένας υπερμεγέθης ελλειπτικός γαλαξίας έχει διάμετρο περίπου 120000 έτη φωτός περίπου όσο και ο δικός μας αλλά όπως έχουμε εξηγήσει οι ελλειπτικοί γαλαξίες είναι στην ουσία τριαξονικά σφαιροειδή και όχι ένας επίπεδος δίσκος με αποτέλεσμα να περιέχει περίπου 2.7 τρισεκατομμύρια ηλιακές μάζες περίπου διπλάσιος από την μάζα του δικού μας γαλαξία.

Η Τρίτη φωτογραφία είναι επίσης ο γαλαξία Μ87 αλλά με ειδική επεξεργασία όπου φαίνεται καθαρά στο κέντρο ένα ασυνήθιστο χαρακτηριστικό. Είναι το ίδιο χαρακτηριστικό που το 1918 ο , ο αστρονόμος Heber Curtis του αστεροσκοπείου του Lick ανακάλυψε στον γαλαξία και το περιέγραψε σαν μια περίεργη ευθεία ακτίνα από το κέντρο του γαλαξία. Αυτή η ακτίνα όπως αποδείχτηκε αργότερα είναι στη ουσία πίδακας ύλης που εκτινάσσει ο γαλαξίας πιθανότατα από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα που φιλοξενεί στο κέντρο του.

Ο πίδακας αυτός έχει μήκος τουλάχιστον 5.000 έτη φωτός από το κέντρο του και η μαύρη τρύπα εκτιμάται ότι έχει μάζα περίπου 6,6 δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες και είναι η μεγαλύτερη στο υπερσμήνος της Παρθένου.  (H πιο υπερμεγέθης μαύρη τρύπα που έχει ποτέ βρεθεί έχει μάζα 40 δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες.)

Εξαιτίας αυτής της μαύρης τρύπας και του πίδακα ο γαλαξίας παρουσιάζει εκπομπή σε πολλά μήκη κύματος από τα ραδιοκύματα μέχρι τις ακτίνες γ.

Ο μηχανισμός που οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες εκτινάσσουν ύλη με την μορφή jets είναι ακόμη ανοικτό πεδίο έρευνας. Για να διερευνήσουμε μερικά στοιχεία από αυτή την εκπληκτική μηχανή που είναι σε θέση να εκτινάσσει ύλη σε χιλιάδες ή και μερικές φορές σε εκατοντάδες χιλιάδες έτη φωτός μακριά θα πρέπει πρώτα να πούμε λίγα γενικά για τις  μαύρες τρύπες.

Ο όρος μελανή οπή δικαιολογείται από το γεγονός ότι το φως δεν μπορεί να ξεφύγει από το εσωτερικό της. Στις εξισώσεις πεδίου Einstein, έχουμε κυρίως δύο ακριβείς λύσεις, η πρώτη η λύση Schwarzschild αναφέρεται στον χωρόχρονο έξω από ένα σφαιρικά συμμετρικό αστέρα ενώ η δεύτερη του Kerr περιγράφει τον χωρόχρονο μετά από βαρυτική κατάρρευση ενός περιστρεφόμενου αξονικά συμμετρικού αστέρα.

Στην λύση Schwarzschild η μελανή οπή μπορεί να παρασταθεί  με σφαίρα ακτίνας Rs που ονομάζεται και κρίσιμη ακτίνα, πέραν της οποίας η μάζα καταρρέει και καμπυλώνει τον χωρόχρονο τόσο πολύ, ώστε ακόμη και τα φωτόνια κάμπτονται προς το εσωτερικό της μάζας, με αποτέλεσμα να μην μπορούν να διαφύγουν και να μεταφέρουν πληροφορίες προς τον εξωτερικό παρατηρητή. Η ακτίνα αυτή είναι Rs= 2.96 φορές το λόγο M/Mo (όπου Mo η μάζα του ήλιου). Έτσι ένα αστρικό αντικείμενο Μάζας Μ με ακτίνα μικρότερη της ακτίνας Schwarzschild Rs, είναι στην ουσία μια μαύρη τρύπα. Ο σφαιρικός χώρος με ακτίνα Rs  και κέντρο τη μαύρη τρύπα ονομάζεται επιφάνεια Schwarzschild  η απλά ορίζοντας γεγονότων, γιατί ορίζει μία αόρατη περιοχή πέραν της οποία δεν μεταφέρεται καμία πληροφορία από κανενός είδους ακτινοβολία, αφού η ταχύτητα διαφυγής είναι οριακά μεγαλύτερη από  την ταχύτητα του φωτός. Το κέντρο της μαύρης τρύπας το σημείο δηλαδή που η καμπύλωση του χωροχρόνου τείνει στο άπειρο είναι τώρα μια ανωμαλία (singularity).

Μία μαύρη τρύπα, ως το τελικό εξελικτικό στάδιο ενός άστρου με αρκετά μεγάλη μάζα, αναμένεται να χαρακτηρίζεται από ιδιοπεριστροφή. Μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα - κατά Kerr - περιλαμβάνει και ένα δεύτερο νοητό κέλυφος ένα εξωτερικά εφαπτόμενο ελειψοειδές , που ονομάζεται στατικό όριο (static limit) και το οποίο στους πόλους περιστροφής της μαύρης τρύπας ταυτίζεται με τον ορίζοντα γεγονότων (event horizon), ενώ έχει μέγιστη απόσταση στον ισημερινό του. Η περιοχή ανάμεσα στον ορίζοντα γεγονότων και το στατικό όριο ονομάζεται εργόσφαιρα (ergosphere), ενώ n μοναδικότητα (singularity) δεν είναι ένα απλό σημείο αλλά ένας δακτύλιος. Κάθε σώμα που βρίσκεται μέσα από το στατικό όριο παρασύρεται σε περιστροφή γύρω από τη μαύρη τρύπα.

Ο όρος υπερμαζική μαύρη τρύπα αναφέρεται στην ποσότητα της ύλης η οποία έχει καταρρεύσει στο εσωτερικό της και συνήθως ανέρχεται από εκατοντάδες χιλιάδες έως εκατομμύρια και δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες. Συνήθως τέτοιες μαύρες τρύπες βρίσκονται στα κέντρα όλων των γνωστών γιγαντιαίων γαλαξιών.

Οι υπερμαζικές μαύρες τρύπες έχουν μια μέση πυκνότητα που όσο και αν φανεί παράξενο είναι κάποιες φορές μικρότερη από αυτή του νερού. Ο λόγος είναι ότι η πυκνότητα σε αυτή την περίπτωση λαμβάνεται ως ο λόγος της μάζας προς τον όγκο μέσα σε μια ακτίνα  Schwarzschild η οποία είναι ανάλογη της μάζας της μαύρης τρύπας, επομένως όσο μαζική είναι μια μαύρη τρύπα τόσο μεγαλύτερη ακτίνα Rs θα έχει, επομένως και λιγότερη πυκνότητα αφού ο όγκος αυξάνεται με τον κύβο της ακτίνας.

Ένα άλλο χαρακτηριστικό των υπερμαζικών μαύρων τρυπών είναι ότι οι παλιρροϊκές δυνάμεις που κάποιος δέχεται κοντά στην περιοχή του ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας είναι πολύ μικρές και συγκρίνονται με αυτές που δέχεται κάποιος στην Γή σε αντίθεση με τις μικρές τρύπες όπου οι παλιρροιακές δυνάμεις εύκολα θα σε διαμελίσουν *.

Η προέλευση των υπερμαζικών μαύρων οπών δεν έχει ακόμη διευκρινιστεί πλήρως. Η δυσκολία έγκειται στο ότι πρέπει κανείς να δεχθεί την ύπαρξης τόσο μεγάλης μάζας σε τόσο μικρό όγκο.  Η πιο πιθανή υπόθεση είναι ότι ξεκινάει από μια μαύρη τρύπα προγενήτορα της τάξεως των εκατοντάδων ηλιακών μαζών από μια έκρηξη σουπερνοβα και στην συνέχεια κατάρρευση του αστέρα. Στην συνέχεια αυτή μεγαλώνει καθώς η ύλη συσσωρεύεται και πέφτει στην μαύρη τρύπα, είτε από την συγχώνευση άλλων μαύρων οπών στην περιοχή. Υπάρχουν όμως και άλλες θεωρίες που προβλέπουν το σχηματισμό κατευθείαν μαύρης τρύπας από ένα μεγάλο νεφέλωμα αερίου που υπήρχε πριν το σχηματισμό των πρώτων άστρων στο γαλαξία το οποίο κατέρρευσε σε quasi-star και μετά σε μαύρη τρύπα. Άλλες υποθέσεις είναι το να έχουν αρχικά σχηματιστεί από τις πρώτες στιγμές της δημιουργίας του σύμπαντος κάτω από εξαιρετικές συνθήκες πίεσης.  Πάντως υπάρχει ένα ζήτημα με το ότι δεν έχουν ανιχνευτεί ενδιάμεσης μάζα μαύρες τρύπες ώστε να καλύψουν τα κενά της εξέλιξης των μαύρων οπών και γιαυτό πιστεύεται ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες σχηματίστηκαν πολύ νωρίς στην ιστορία του σύμπαντος λιγότερο από ένα εκατομμύριο χρόνια μετά το ΒΒ μέσα στους γαλαξίες.

Ο τρόπος που εξάγεται ενέργεια από μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα εξηγείται με διάφορες θεωρίς και μια δημοφιλής από αυτές είναι η διαδικασία Blandford–Znajek. Η εργόσφαιρα παίζει σημαντικό ρόλο στη διαδικασία Blandford-Znajek καθώς η εργόσφαιρα προκαλεί την μαγνητόσφαιρα να περιστρέφεται και η εξερχόμενη ροή της στοφορμής συντελεί στην εξαγωγή ενέργειας από την μαύρη οπή.

Η παρακάτω εικόνα είναι αυτή που πιστεύεται ότι είναι η κεντρική μηχανή ενός Ενεργού γαλαξιακού πυρήνα αν μπορούσαμε να απομακρύνουμε την ακτινοβολία και να καθαρίσουμε την σκόνη και το αέριο.

Η κεντρική μηχανή λοιπόν αποτελείται από μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα που περιτριγυρίζεται από ένα λεπτό δίσκο προσαύξησης.

Οι δίσκοι προσαύξησης αναφέρονται συνήθως στην δισκοειδή δομή από αέριο και σκόνη που εκτελεί διαφορική περιστροφή γύρω από ένα κεντρικό αντικείμενο μεγάλης μάζας, όπως ένας πρωτοαστέρας, ένας αστέρας νετρονίων ή μία μαύρη τρύπα. Η διαφορική περιστροφή είναι το φαινόμενο κατά το οποίο διαφορετικά μέρη ενός περιστρεφόμενου αντικειμένου κινούνται με διαφορετικές γωνιακές ταχύτητες , φαινόμενο που συμβαίνει σε μη στερεά σώματα. Σε ένα τόσο ισχυρό πεδίο αυτή η διαφορική περιστροφή προκαλεί ισχυρότατες τριβές που θερμαίνουν το αέριο σταδιακά καθώς πλησιάζει στο κέντρο με αποτέλεσμα να ακτινοβολεί πολύ έντονα στις υπεριώδεις. Φωτόνια από τον δίσκο προσαύξησης ιονίζουν τα άτομα του κοντινού νέφους αερίων σε θερμοκρασίες μέχρι και εκατομμυρίων βαθμών έτσι ώστε το υλικό εκπέμπει ακόμη και στις ακτίνες x.

Να σημειωθεί ότι μαγνητικό πεδίο δεν μπορεί να εγκατασταθεί σε μια μαύρη τρύπα διότι ο ορίζοντας γεγονότων καταστρέφει όλες τις μαγνητικές γραμμές του πεδίου που τον διασταυρώνουν.

Όμως το περιστρεφόμενο πλάσμα του δίσκου προσαύξησης δεν διασταυρώνει εξ ολοκλήρου τον ορίζοντα γεγονότων αλλά ένα σημαντικό τμήμα διαφεύγει και  οδηγείται  εξωτερικά από τον ορίζοντα γεγονότων. Αυτό μπορεί να αναπτύξει ισχυρό μαγνητικό πεδίο αφού η φορτισμένη ύλη του επιταχύνεται σε σχεδόν σχετικιστικές ταχύτητες κοντά στους πόλους της μαύρης τρύπας .

Το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο του δίσκου προσαύξησης οδηγείται τότε μακριά από την μαύρη τρύπα, παρασύροντας στις κλειστές δυναμικές και περιστρεφόμενες γραμμές, ιονισμένη ύλη με την μορφή διπολικών jets κάθετα στον δίσκο προσαύξησης. Αυτά τα jets  περιέχουν φορτισμένα σωματίδια τα οποία κινούνται κοντά στην ταχύτητα του φωτός και περιδίνονται στις δυναμικές γραμμές του περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου. Τα φορτισμένα σωματίδια στο Jet, κυρίως τα ηλεκτρόνια αφού αυτά λόγω μάζας μπορούν εύκολα να επιταχύνονται ακολουθούν μια σπειροειδή κίνηση γύρω από το πεδίο σε σχετικιστικές ταχύτητες και εκπέμπουν εκπομπή σύγχροτρον.

Τα φορτισμένα σωματίδια από το περιβάλλον πλάσμα θα επιταχύνονται από το μαγνητικό πεδίο και θα κινούνται προς τα εξωτερικά της μαύρης τρύπας διότι κινούνται πάντα κάθετα στις μαγνητικές γραμμές . Αυτά τα σωματίδια κινούνται σε πολύ μεγάλες ταχύτητες και μεταφέρουν μεγάλη κινητική ενέργεια αφού κινούνται ακόμη και κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Γιαυτό οι γαλαξίες με ενεργό πυρήνα έχουν ηλεκτρομαγνητική δραστηριότητα που είναι ακτινοβολία από θερμική εκπομπή και ακτινοβολία σύγχροτρον . Το πλάσμα καθώς απομακρύνεται από τον δίσκο προσαύξησης χάνει ενέργεια σταδιακά και σε κάποια απόσταση διαχέεται στο περιβάλλον και σε εκείνα τα σημεία τα jets σχηματίζουν ραδιολοβούς που τροφοδοτείται από την κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων που κινούνται με το Jet . Αυτά εκπέμπουν ακτινοβολία Σύγχροτρον διότι τα μαγνητικά πεδία επίσης είναι παγιδευμένα μέσα στο πλάσμα. Φυσικά η γεωμετρία σε αυτές τις περιπτώσεις είναι πολύ περίπλοκη αλλά η φυσική που κρύβεται πίσω από αυτά τα φαινόμενα είναι όπως περιεγράφηκε παραπάνω. Αρκετές φορές έχουμε και εκπομπή στο ορατό φως όπως στην περίπτωση του Μ87

Γιώργος Νικολιδάκης  nikoligeo@gmail.com

Ηλεκτρονικός Μηχανικός

Πτυχιούχος Φυσικών Επιστημών

Μετατυχιακός φοιτητής θεωρητικής φυσικής

Πληροφορίες για τις φωτογραφίες

Camera : STL11000 

Telescope : DSI 14,6" RC 

Mount : Paramount ME

Πηγές :

Materials from the Educational Course “Galaxies and Cosmology” Caltech University

Βιβλία :

-An Introduction to Modern Astrophysics - B. Carrol, D. Ostlie

-Astrophysics – Frank Sue

-Σχετικότητα -ΕΑΠ

* Στην αστροφυσική το φαινόμενο της επίδρασης των παλιρροϊκών δυνάμεων που δέχεται ένα αντικείμενο που εισέρχεται σε ένα βαρυτικό πεδίο το λέμε σπαγκετοποίηση όπου ο υποτιθέμενος αστρονεύτης που εισέρχεται σε ένα μη ομογενές βαρυτικό πεδίο δέχεται οριζόντια συμπίεση και κάθετη έκταση που του δίνει ένα μακροσκελές σχήμα. Το σημείο στο οποίο οι παλιρροιακές δυνάμεις καταστρέφουν ένα υποθετικό αστροναύτη θα εξαρτηθεί από το μέγεθος της μαύρης τρύπας. Για μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα  το σημείο αυτό βρίσκεται εντός του ορίζοντα γεγονότων και ένας αστροναύτης μπορεί να διασχίσει τον ορίζοντα γεγονότων, χωρίς να παρατηρήσει κάποια σύνθλιψη αν και το πότε θα συνθλιβεί είναι θέμα χρόνου αφού η καθοδική διαδρομή προς την ανωμαλία είναι αναπόφευκτη. Για μικρές μαύρες τρύπες των οποίων η ακτίνα Schwarzschild είναι πολύ πιο κοντά στην ιδιομορφία, οι παλιρροιακές δυνάμεις θα τον σκοτώσουν ακόμη και πριν ο αστροναύτης φτάσει το ορίζοντα γεγονότων. Για παράδειγμα, για μια μαύρη τρύπα των 10 ηλιακών μαζών που έχει ορίζοντα 10Km η δύναμη που αναπτύσσεται ανάμεσα στο κεφάλι και στα πόδια και σε απόσταση περίπου 320 km θα σε διαμελίσει το σημείο αυτό είναι πολύ έξω από τον ορίζοντα γεγονότων. Για μια μαύρη τρύπα των 10.000 μαζών Ήλιου που έχει ορίζοντα γεγονότων 30000 Km το σημείο που ο αστροναύτης θα υποστεί διαμελισμό είναι περίπου στα 3200 Km πολύ μέσα στον ορίζοντα γεγονότων.


Copyright 2007 by My Website   Terms Of Use  Privacy Statement
DotNetNuke® is copyright 2002-2017 by DotNetNuke Corporation