Η μικρότερη μαύρη τρύπα που έχει βρεθεί; Ποια είναι η μικρότερη μαύρη τρύπα που έχει ανακαλυφθεί; Ένα από τα ονόματα που εμφανίζονται στη σχετική συζήτηση είναι το GRO J0422+32. Μελέτη του 2022...

Πλήρες Κείμενο:

Η μικρότερη μαύρη τρύπα που έχει βρεθεί; Ποια είναι η μικρότερη μαύρη τρύπα που έχει ανακαλυφθεί; Ένα από τα ονόματα που εμφανίζονται στη σχετική συζήτηση είναι το GRO J0422+32. Μελέτη του 2022 υπολόγισε τη μάζα του σκοτεινού αντικειμένου αυτού του συστήματος σε περίπου 2,7 φορές τη μάζα του Ήλιου, με αβεβαιότητα −0,5 και +0,7 ηλιακές μάζες.

Αν αυτή η εκτίμηση είναι σωστή, μια μη περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα με τέτοια μάζα θα είχε διάμετρο ορίζοντα περίπου 16 χιλιομέτρων.

Υπάρχει όμως μια ουσιαστική δυσκολία: η τιμή των 2,7 ηλιακών μαζών δεν αποτελεί οριστικά εδραιωμένο ρεκόρ.

Διαφορετική μελέτη, δημοσιευμένη το 2024, εκτίμησε για το ίδιο αντικείμενο 6,5 ± 2,9 ηλιακές μάζες.

Επομένως, μπορούμε να μιλήσουμε για μια ενδιαφέρουσα διεκδίκηση του τίτλου, με σημαντική επιστημονική αβεβαιότητα.

Μια κατηγορηματική απάντηση θα απέκρυπτε ακριβώς το πιο ενδιαφέρον μέρος της έρευνας.

Πρώτα χρειάζεται να ξεκαθαρίσουμε τι σημαίνει «μικρή». Οι αστρονόμοι συγκρίνουν πρωτίστως τις μάζες.

Το μέγεθος του ορίζοντα γεγονότων συνδέεται με τη μάζα και την περιστροφή.

Ο φωτεινός δίσκος αερίου γύρω από μια μαύρη τρύπα μπορεί να είναι ασύγκριτα μεγαλύτερος.

Και η σκοτεινή σκιά που σχηματίζεται εξαιτίας της σύλληψης και της εκτροπής του φωτός έχει διαφορετικό μέγεθος από τον ίδιο τον ορίζοντα.

Η μέτρηση μιας φωτεινής ή σκοτεινής κηλίδας σε μια εικόνα δεν αρκεί για να λύσει το ζήτημα. Το GRO J0422+32, γνωστό και ως V518 Persei, βρίσκεται στην κατεύθυνση του αστερισμού του Περσέα, σε εκτιμώμενη απόσταση περίπου 8.100 ετών φωτός.

Εντοπίστηκε στις 5 Αυγούστου 1992, κατά τη διάρκεια μιας ισχυρής έκλαμψης, με το όργανο BATSE του διαστημικού παρατηρητηρίου Compton.

Στο σύστημα υπάρχει ένας μικρός, ψυχρός αστέρας τύπου Μ, ο οποίος περιφέρεται μαζί με το συμπαγές αντικείμενο γύρω από το κοινό κέντρο μάζας τους σε περίπου πέντε ώρες.

Αέριο από τον αστρικό συνοδό τροφοδοτεί έναν δίσκο προσαύξησης.

Καθώς το αέριο χάνει στροφορμή και μετακινείται προς τα μέσα, απελευθερώνεται βαρυτική ενέργεια.

Η ακτινοβολία μάς πληροφορεί για το θερμό υλικό έξω από τον ορίζοντα.

Δεν διαθέτουμε άμεση, χωρικά αναλυμένη φωτογραφία του ορίζοντα του συγκεκριμένου αντικειμένου.

Πώς προέκυψε η χαμηλή εκτίμηση μάζας; Ο Jorge Casares και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν το σχήμα της φασματικής γραμμής Ηα του δίσκου για να εκτιμήσουν την κλίση του συστήματος.

Προέκυψε γωνία περίπου 55,6 μοιρών και, σε συνδυασμό με τις τροχιακές μετρήσεις, η τιμή των 2,7 ηλιακών μαζών.

Η μελέτη του 2024 μοντελοποίησε οπτικές καμπύλες φωτός και βρήκε μικρότερες κλίσεις, άρα μεγαλύτερη μάζα.

Η συνεισφορά του δίσκου, η μεταβλητότητα και η θέρμανση του συνοδού δυσκολεύουν αυτή τη μέτρηση.

Η δυσκολία έχει ευρύτερη σημασία.

Οι αστρικές μαύρες τρύπες μπορούν να δημιουργηθούν όταν καταρρεύσει ο πυρήνας ενός μεγάλου άστρου.

Μαύρες τρύπες μπορούν επίσης να προκύψουν από συγχωνεύσεις συμπαγών αντικειμένων.

Πολλές γνωστές αστρικές μαύρες τρύπες έχουν μάζες πάνω από πέντε ηλιακές μάζες.

Ανάμεσα στους βαρύτερους αστέρες νετρονίων και στις ελαφρύτερες μαύρες τρύπες υπάρχει μια περιοχή με σχετικά λίγα παρατηρημένα αντικείμενα, το λεγόμενο κατώτερο «χάσμα μαζών». Τα όριά του είναι προσεγγιστικά.

Η έλλειψη αντικειμένων μπορεί να συνδέεται τόσο με τον τρόπο δημιουργίας τους όσο και με τη δυσκολία εντοπισμού τους.

Ένας αστέρας νετρονίων στηρίζεται απέναντι στη βαρύτητα από την πίεση της υπέρπυκνης ύλης του.

Πάνω από κάποια μέγιστη μάζα αυτή η ισορροπία παύει να είναι δυνατή.

Το ακριβές όριο εξαρτάται από τις ιδιότητες της ύλης και από την περιστροφή.

Γι’ αυτό ένα σκοτεινό αντικείμενο γύρω στις 2,5 ηλιακές μάζες δεν ταξινομείται αυτόματα με βεβαιότητα.

Υπάρχουν και άλλοι διεκδικητές.

Στο βαρυτικό κύμα GW190814 το ελαφρύτερο αντικείμενο είχε μάζα περίπου 2,6 ηλιακών μαζών, χωρίς να εξακριβωθεί αν ήταν μαύρη τρύπα ή αστέρας νετρονίων.

Στο σύστημα του πάλσαρ PSR J0514−4002E, η μάζα του σκοτεινού συνοδού περιορίστηκε μεταξύ 2,09 και 2,71 ηλιακών μαζών, με διάστημα εμπιστοσύνης 95%. Και εκεί παραμένουν ανοικτές και οι δύο ερμηνείες.

Το σύστημα G3425 πρόσφερε μια άλλη ενδιαφέρουσα περίπτωση: ένα αόρατο αντικείμενο με εκτιμώμενη μάζα 3,6 ηλιακών μαζών, με αβεβαιότητα −0,5 και +0,8, γύρω από έναν ερυθρό γίγαντα.

Στο γεγονός GW230529 ανιχνεύθηκε επίσης συμπαγές αντικείμενο στην περιοχή 2,5–4,5 ηλιακών μαζών, με πιθανότερη ερμηνεία μια μαύρη τρύπα.

Η μάζα μπορεί να μετρηθεί αρκετά καλά, ενώ η φύση του αντικειμένου να παραμένει δυσκολότερο ερώτημα.

Ακόμη και ο συχνά επαναλαμβανόμενος αριθμός «3,8 ηλιακές μάζες» έχει ιστορία: προέρχεται από ανακοίνωση της NASA το 2008 για το XTE J1650−500, με μέθοδο βασισμένη στις ταλαντώσεις της ακτινοβολίας Χ. Ένας παλιός τίτλος «η μικρότερη που βρέθηκε» χρειάζεται να διαβάζεται μαζί με τη χρονολογία, τη μέθοδο και τις μεταγενέστερες έρευνες.

Θα μπορούσαν να υπάρχουν πολύ μικρότερες; Οι υποθετικές αρχέγονες μαύρες τρύπες, που θα σχηματίζονταν στο πρώιμο Σύμπαν, θα μπορούσαν να έχουν μάζες πολύ κάτω από την ηλιακή.

Δεν διαθέτουμε οριστική παρατηρησιακή επιβεβαίωσή τους.

Η θεωρητική δυνατότητα και η επιβεβαιωμένη ανακάλυψη χρειάζονται διαφορετική διατύπωση.

Ας περάσουμε τώρα στους υπολογισμούς, παίρνοντας ως παράδειγμα την εκτίμηση των 2,7 ηλιακών μαζών.

Όσα ακολουθούν δείχνουν τι συνεπάγεται αυτή η υπόθεση.

Δεν αποτελούν ανεξάρτητη επιβεβαίωση της μάζας του GRO J0422+32. Χρησιμοποιούμε G = 6,67430 × 10⁻¹¹ m³/(kg·s²), c = 2,99792458 × 10⁸ m/s και μάζα Ήλιου Μ☉ ≈ 1,9885 × 10³⁰ kg. Η «ζυγαριά» της τροχιάς ξεκινά από τη φασματοσκοπία.

Οι μετατοπίσεις Doppler των γραμμών του συνοδού δίνουν το πλάτος της ακτινικής του ταχύτητας Κ. Για την αναπαραγωγή της ανάλυσης του 2022 παίρνουμε προσεγγιστικά περίοδο Ρ = 18.330 s και Κ = 378.000 m/s. Για κυκλική τροχιά η συνάρτηση μάζας είναι: f = Ρ × Κ³ / (2πG) f ≈ 2,36 × 10³⁰ kg ≈ 1,19 Μ☉. Αυτό δεν είναι ακόμη η μάζα της μαύρης τρύπας.

Αν q είναι ο λόγος μάζας συνοδού προς μάζα συμπαγούς αντικειμένου και i η κλίση της τροχιάς ως προς το επίπεδο του ουρανού, τότε: Μ = f × (1 + q)² / sin³(i). Με q ≈ 0,12 και i ≈ 55,6°: Μ ≈ 1,19 × 1,12² / sin³(55,6°) Μ ≈ 2,65 Μ☉, δηλαδή περίπου 2,7 Μ☉. Βλέπουμε και την πηγή της αβεβαιότητας.

Αν κρατήσουμε τα άλλα μεγέθη ίδια και υποθέσουμε i = 40°, προκύπτει: Μ ≈ 1,19 × 1,12² / sin³(40°) ≈ 5,6 Μ☉. Η αλλαγή της κλίσης αυξάνει τη μάζα πάνω από δύο φορές.

Το παράδειγμα δεν αναπαράγει ολόκληρη τη μελέτη του 2024, αλλά εξηγεί γιατί διαφορετικές εκτιμήσεις της γεωμετρίας μπορούν να αλλάξουν τόσο πολύ το αποτέλεσμα.

Οι αρχικές παράμετροι προέρχονται από τη δημοσιευμένη ανάλυση του 2022.

Πόση ύλη αντιπροσωπεύουν οι 2,7 ηλιακές μάζες; Μ = 2,7 × 1,9885 × 10³⁰ ≈ 5,37 × 10³⁰ kg. Διαιρώντας με τη μάζα της Γης, περίπου 5,97 × 10²⁴ kg, βρίσκουμε: Μ / ΜΓης ≈ 900.000.

Μιλάμε επομένως για μάζα περίπου εννιακοσίων χιλιάδων Γαιών.

Ο χαρακτηρισμός «μικρή» αποκτά νόημα μέσα στη σύγκριση με άλλες μαύρες τρύπες.

Για να μετατρέψουμε τη μάζα σε μέγεθος, χρησιμοποιούμε το ιδανικό μοντέλο μιας μη περιστρεφόμενης, αφόρτιστης μαύρης τρύπας.

Η ακτίνα Schwarzschild είναι: Rs = 2GΜ / c². Για κάθε ηλιακή μάζα αντιστοιχούν περίπου 2,953 km. Άρα: Rs ≈ 2,953 × 2,7 ≈ 7,97 km. Διάμετρος ορίζοντα = 2Rs ≈ 15,95 km. Αυτή είναι η προέλευση της σύγκρισης με το μέγεθος μιας πόλης.

Αν χρησιμοποιήσουμε τα άκρα 2,2 και 3,4 ηλιακών μαζών της εκτίμησης του 2022, η αντίστοιχη διάμετρος κυμαίνεται περίπου από 13 έως 20 km. Η περιστροφή απαιτεί διαφορετικό γεωμετρικό μοντέλο.

Οι αριθμοί αυτοί περιγράφουν τον ορίζοντα και δεν πρέπει να τοποθετούνται ως διαστάσεις πάνω στη μεγαλύτερη σκοτεινή σκιά μιας εικονογράφησης.

Πόσο κοντά βρίσκεται ο αστρικός συνοδός; Με q ≈ 0,12, η συνολική μάζα του συστήματος στο παράδειγμά μας γίνεται περίπου 3,02 ηλιακές μάζες.

Από τον τρίτο νόμο του Κέπλερ: a³ = G × Μολ × Ρ² / (4π²) a ≈ 1,5 × 10⁹ m ≈ 1,5 εκατομμύριο km. Για σχεδόν κυκλική τροχιά, το a αντιστοιχεί στην απόσταση μεταξύ των δύο αντικειμένων.

Ο ορίζοντας έχει ακτίνα περίπου οκτώ χιλιομέτρων, ενώ ο συνοδός κινείται σε απόσταση εκατομμυρίων χιλιομέτρων.

Η ύπαρξη μαύρης τρύπας επιτρέπει κανονικές τροχιές έξω από αυτήν.

Μπορούμε επίσης να υπολογίσουμε μια συμβατική «μέση πυκνότητα», διαιρώντας τη μάζα με τον ευκλείδειο όγκο σφαίρας ακτίνας Rs: ρσυμβ = Μ / ρσυμβ ≈ 2,5 × 10¹⁸ kg/m³. Η τιμή δίνει μια αίσθηση της συμπύκνωσης.

Χρειάζεται όμως προσοχή: δεν αποτελεί μέτρηση της πραγματικής πυκνότητας του εσωτερικού.

Ο ορίζοντας δεν είναι υλικό κέλυφος και ο εσωτερικός όγκος στην καμπύλη γεωμετρία δεν ταυτίζεται με την απλή ευκλείδεια σφαίρα.

Το πηλίκο είναι χρήσιμο ως σύγκριση μεγέθους και μάζας.

Πόσο ισχυρές θα ήταν οι παλιρροϊκές επιδράσεις; Για ένα σώμα μήκους L, προσανατολισμένο ακτινικά, η διαφορά βαρυτικής επιτάχυνσης μεταξύ των άκρων του προσεγγίζεται, αρκετά μακριά από τον ορίζοντα, από: Δg ≈ 2GΜL / r³. Για L = 2 m και απόσταση από το κέντρο r = 1.000 km: Δg ≈ 1,43 × 10³ m/s² ≈ 146 gΓης.

Πρόκειται για διαφορά επιτάχυνσης από το ένα άκρο στο άλλο, η οποία τείνει να τεντώσει το σώμα.

Εξηγεί γιατί μια αστρική μαύρη τρύπα μπορεί να διαλύσει ένα σώμα πολύ πριν από τη διέλευση του ορίζοντα.

Στην ίδια απόσταση εκφρασμένη σε ακτίνες ορίζοντα, οι μικρότερες μαύρες τρύπες έχουν εντονότερες παλιρροϊκές επιδράσεις.

Τέλος, η θεωρία του Hawking προβλέπει θερμοκρασία για μια μη περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα: ΤΗ = ℏc³ / (8πGΜkB). Με ℏ ≈ 1,055 × 10⁻³⁴ J·s και kB = 1,380649 × 10⁻²³ J/K: ΤΗ ≈ 6,17 × 10⁻⁸ / 2,7 ΤΗ ≈ 2,3 × 10⁻⁸ K. Αυτό αντιστοιχεί σε περίπου 23 νανοκέλβιν, πολύ χαμηλότερα από τη θερμοκρασία της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας, περίπου 2,7 K. Η ακτινοβολία Hawking από αστροφυσικές μαύρες τρύπες δεν έχει ανιχνευθεί άμεσα.

Η λάμψη ενός δίσκου προσαύξησης προέρχεται από εντελώς διαφορετική διαδικασία.

Σε ένα απλουστευμένο μοντέλο εξάτμισης, χωρίς εισερχόμενη ύλη ή ακτινοβολία: t ≈ 5120πG²Μ³ / (ℏc⁴) t ≈ 4 × 10⁶⁸ χρόνια.

Ο συντελεστής εξαρτάται από τις λεπτομέρειες της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας, αλλά η τεράστια χρονική κλίμακα και η εξάρτηση από τον κύβο της μάζας είναι το βασικό συμπέρασμα.

Δεν περιγράφει έναν μετρημένο χρόνο ζωής του συγκεκριμένου αντικειμένου.

Η αναζήτηση της μικρότερης μαύρης τρύπας εξετάζει το όριο ανάμεσα σε δύο διαφορετικές καταστάσεις της ύλης και της βαρύτητας. Το GRO J0422+32 δείχνει πόσο εντυπωσιακή μπορεί να είναι μια χαμηλή εκτίμηση μάζας και πόσο αποφασιστικός είναι ο έλεγχός της.

Ορίζοντας διαμέτρου περίπου 16 km είναι το αποτέλεσμα για το υποθετικό παράδειγμα των 2,7 ηλιακών μαζών.

Η απονομή του απόλυτου παρατηρησιακού ρεκόρ χρειάζεται ισχυρότερη συμφωνία των μετρήσεων.

Πηγές — Harvard Casares, J. et al. (2022) ‘A correlation between Hα trough depth and inclination in quiescent X-ray transients: evidence for a low-mass black hole in GRO J0422+32’, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 516(2), pp. 2023–2037. "doi:10.1093/mnras/stac1881" (https://doi.org/10.1093/mnras/stac1881). Cherepashchuk, A.M., Khruzina, T.S. and Atapin, K.E. (2024) ‘I-band photometry of the quiescent black hole X-ray nova GROJ0422+32 = V518 Per…’, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 531(4), pp. 4917–4928. "doi:10.1093/mnras/stae1421" (https://doi.org/10.1093/mnras/stae1421). LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration (2020) ‘GW190814: Gravitational waves from the coalescence of a 23 M☉ black hole with a 2.6 M☉ compact object’, The Astrophysical Journal Letters, 896, L44. "Παρουσίαση της συνεργασίας" (https://ligo.org/science-summaries/gw190814/). Barr, E.D. et al. (2024) ‘A pulsar in a binary with a compact object in the mass gap between neutron stars and black holes’, Science, 383, pp. 275–279. "doi:10.1126/science.adg3005" (https://doi.org/10.1126/science.adg3005). Wang, S. et al. (2024) ‘A potential mass-gap black hole in a wide binary with a circular orbit’, Nature Astronomy, 8, pp. 1583–1591. "doi:10.1038/s41550-024-02359-9" (https://doi.org/10.1038/s41550-024-02359-9). LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration and KAGRA Collaboration (2024) ‘Observation of gravitational waves from the coalescence of a 2.5–4.5 M☉ compact object and a neutron star’, The Astrophysical Journal Letters, 970, L34. "Παρουσίαση της συνεργασίας" (https://ligo.org/science-summaries/gw230529/). NASA (2008) ‘NASA Scientists Identify Smallest Known Black Hole’, 2 April. "Αρχική ανακοίνωση" (https://imagine.gsfc.nasa.gov/news/02apr08.html). NASA (n.d.) "‘Anatomy of a Black Hole’" (https://science.nasa.gov/universe/black-holes/anatomy/), "‘Types of Black Holes’" (https://science.nasa.gov/universe/black-holes/types/), "‘The Anatomy of Black Holes — Page 22’" (https://imagine.gsfc.nasa.gov/educators/blackholes/imagine/page22.html) και "‘Frequently Asked Questions on Black Holes’" (https://science.nasa.gov/apod/frequently-asked-questions-faqs-on-black-holes/). Corral-Santana, J.M. et al. (n.d.) BlackCAT: "GRO J0422+32, καταχώριση καταλόγου" (https://www.astro.puc.cl/BlackCAT/info.php?id=17). Hawking, S.W. (1975) ‘Particle creation by black holes’, Communications in Mathematical Physics, 43, pp. 199–220. "doi:10.1007/BF02345020" (https://doi.org/10.1007/BF02345020). NIST (2025) "‘CODATA values of the fundamental physical constants’" (https://www.nist.gov/programs-projects/codata-values-fundamental-physical-constants). Βιβλιογραφικός έλεγχος: 31 Οκτωβρίου 2026.

Η επιλογή των posts/links γίνεται με ένα στατιστικό μοντέλο και μπορεί να μην απεικονίζει επακριβώς τη σειρά δημοτικότητάς τους