Στα βάθη του διαστήματος, στην καρδιά ακριβώς του γαλαξία μας, κρύβεται ένα από τα πιο συναρπαστικά μυστήρια του σύμπαντος: ο Τοξότης Α*. Πρόκειται για μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα, ένα κοσμικό «τέρας» με μάζα τέσσερις εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από του Ήλιου μας, που μέχρι σήμερα γνωρίζαμε ότι καταπίνει τα πάντα στο πέρασμά της.
Τι θα λέγατε όμως, αν αυτός ο σκοτεινός γίγαντας δεν λειτουργούσε μόνο ως καταστροφέας, αλλά και ως ένας πανίσχυρος, φυσικός «κινητήρας» που τροφοδοτεί το σύμπαν; Μια νέα, επαναστατική θεωρητική μελέτη έρχεται να ανατρέψει τα δεδομένα, υποστηρίζοντας ότι η μαύρη τρύπα του Γαλαξία μας ίσως προβαίνει σε μια απρόσμενη «αυτοθυσία»: Xάνει ένα μέρος της δικής της ενέργειας και μάζας για να γεννήσει τις πιο ισχυρές κοσμικές ακτίνες που έχουμε γνωρίσει ποτέ.
Η κεντρική μαύρη τρύπα του Γαλαξία μας θα μπορούσε να χάσει μάζα τροφοδοτώντας σωματίδια που διαφεύγουν, και νέοι υπολογισμοί προτείνουν τρόπους με τους οποίους οι αστρονόμοι θα μπορούσαν να εντοπίσουν αυτή τη διαδικασία. Η υπερμεγέθης μαύρη τρύπα στο κέντρο του Γαλαξία μας ενδέχεται να επιταχύνει σωματίδια σε ενέργειες που ξεπερνούν κατά πολύ οτιδήποτε είναι εφικτό στους πιο ισχυρούς επιταχυντές σωματιδίων της Γης.
Μια νέα θεωρητική μελέτη υποδηλώνει ότι ο Τοξότης Α (Sagittarius A), μια μαύρη τρύπα με μάζα περίπου τέσσερις εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από αυτή του Ήλιου, θα μπορούσε να το επιτύχει αυτό μεταφέροντας μέρος της περιστροφικής της ενέργειας απευθείας σε πρωτόνια.
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι αυτά τα σωματίδια θα μπορούσαν να φτάσουν σε ενέργειες αρκετών petaelectronvolt (PeV), δηλαδή το ισοδύναμο αρκετών τετράκις εκατομμυρίων ηλεκτρονιοβόλτ. Αυτό θα καθιστούσε τον Τοξότη Α ένα πιθανό γαλαξιακό “PeVatron”, έναν φυσικό επιταχυντή σωματιδίων ικανό να παράγει μερικές από τις πιο ενεργές κοσμικές ακτίνες στον γαλαξία μας.
Ο μηχανισμός πίσω από την ακραία επιτάχυνση σωματιδίων
Το μεγαλύτερο μέρος της έντονης ακτινοβολίας που σχετίζεται με τις μαύρες τρύπες που “τρέφονται” ενεργά προέρχεται από την ύλη που τις περιβάλλει και όχι από τις ίδιες τις μαύρες τρύπες. Ωστόσο, ο φυσικός Ρότζερ Πενρόουζ (Roger Penrose) πρότεινε το 1969 ότι οι περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν επίσης να παραχωρήσουν μέρος της δικής τους ενέργειας μέσω ενός μηχανισμού γνωστού ως “διαδικασία Πενρόουζ”.
Αυτή η διαδικασία λαμβάνει χώρα στην εργόσφαιρα, μια περιοχή όπου η περιστροφή της μαύρης τρύπας συστρέφει τον χωροχρόνο τόσο έντονα, ώστε τα πάντα αναγκάζονται να κινηθούν προς την κατεύθυνση της περιστροφής της. Φανταστείτε τη μαύρη τρύπα σαν ένα γιγάντιο, ταχύτατα περιστρεφόμενο καρουζέλ που παρασύρει μαζί του τον γύρω χωροχρόνο.
Υπό ορισμένες συνθήκες, ένα σωματίδιο που εισέρχεται σε αυτή την περιοχή μπορεί να διασπαστεί στα δύο: το ένα κομμάτι πέφτει μέσα στη μαύρη τρύπα, ενώ το άλλο διαφεύγει έχοντας περισσότερη ενέργεια από αυτή που διέθετε το αρχικό σωματίδιο.
Αυτή η επιπλέον ενέργεια προέρχεται από την ίδια την περιστροφή της μαύρης τρύπας, όπως ακριβώς ένα αντικείμενο αποκτά επιπλέον ώθηση από ένα περιστρεφόμενο καρουζέλ. Μια πιο ισχυρή παραλλαγή, η οποία ονομάζεται “μαγνητική διαδικασία Πενρόουζ” (MPP), χρησιμοποιεί μαγνητικά πεδία για να μεταφέρει αυτή την περιστροφική ενέργεια σε φορτισμένα σωματίδια πολύ πιο αποτελεσματικά, εκτοξεύοντάς τα ενδεχομένως στο διάστημα με εξαιρετικά υψηλές ενέργειες.
Στη νέα μελέτη, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα μοντέλο για τα νετρόνια που παράγονται από πυρηνικές αντιδράσεις στο θερμό αέριο που περιβάλλει τον Τοξότη Α. Ορισμένα νετρόνια θα μπορούσαν να εισέλθουν στην εργόσφαιρα και να διασπαστούν σε πρωτόνια, ηλεκτρόνια και αντινετρίνα. Τα φορτισμένα σωματίδια που προκύπτουν θα αλληλεπιδρούσαν με το μαγνητικό πεδίο, επιτρέποντας ενδεχομένως στα πρωτόνια να διαφύγουν με τεράστια ποσά ενέργειας.
«Τα αποτελέσματά μας ενισχύουν την ερμηνεία ότι ο Τοξότης Α αποτελεί υποψήφιο γαλαξιακό PeVatron», γράφουν οι ερευνητές στη μελέτη τους.
Οι ακτίνες γάμμα ως «κλειδί» για την αποκάλυψη του κοσμικού μυστικού
Αυτά τα επιταχυνόμενα πρωτόνια θα ταξίδευαν προς τα έξω και θα συγκρούονταν με πυκνά αέρια στην Κεντρική Μοριακή Ζώνη (Central Molecular Zone) που περιβάλλει το γαλαξιακό κέντρο. Τέτοιες συγκρούσεις μπορούν να παράγουν ακτίνες γάμμα και νετρίνα, παρέχοντας πιθανές παρατηρησιακές αποδείξεις για τη λειτουργία αυτού του μηχανισμού.
Οι αστρονόμοι έχουν ήδη ανιχνεύσει ακτίνες γάμμα εξαιρετικά υψηλής ενέργειας από το γαλαξιακό κέντρο, αλλά η ακριβής προέλευσή τους παραμένει αβέβαιη. Η ιχνηλάτηση της πηγής των κοσμικών ακτίνων είναι ιδιαίτερα δύσκολη, επειδή το ηλεκτρικό τους φορτίο αναγκάζει τα μαγνητικά πεδία να καμπυλώνουν τις τροχιές τους.
Οι ακτίνες γάμμα, αντίθετα, ταξιδεύουν χωρίς να εκτρέπονται από αυτά τα πεδία, γεγονός που τις καθιστά πολύτιμες για τον εντοπισμό περιοχών ακραίας επιτάχυνσης σωματιδίων. Οι ερευνητές υπολόγισαν ότι η μαγνητική διαδικασία Πενρόουζ θα μπορούσε να παράγει διακριτά χαρακτηριστικά στο ενεργειακό φάσμα των ακτίνων γάμμα και να συμβάλει στην εκπομπή που έχει ήδη παρατηρηθεί από τα παρατηρητήρια H.E.S.S. και HAWC.
Τα μοντέλα τους προβλέπουν σήματα που εμπίπτουν στην αναμενόμενη ευαισθησία του σχεδιαζόμενου Νότιου Παρατηρητηρίου Ακτίνων Γάμμα Ευρέος Πεδίου (SWGO), ενώ το Αστεροσκοπείο Συστοιχίας Τηλεσκοπίων Τσερένκοφ (CTAO) θα μπορούσε ενδεχομένως να ελέγξει ορισμένα από τα σενάρια.
«Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι το SWGO θα πρέπει να είναι σε θέση να διερευνήσει όλα τα σενάρια που εξετάζουμε σε αυτή την εργασία», γράφουν οι ερευνητές.