Ο Οπενχάιμερ και η πρώτη σύγχρονη περιγραφή μιας μαύρης τρύπας

Συναρπαστικό ήταν επίσης το τελικό συμπέρασμα αυτής της πρωτοποριακής εργασίας. Ο Βολκόφ και ο Οππενχάιμερ ανακάλυψαν ότι υπήρχε ένα τελικό όριο για τον αστέρα νετρονίων- πέρα από μια συγκεκριμένη μάζα, ο πυρήνας του άστρου θα εξακολουθούσε να συστέλλεται — και μάλιστα ατέρμονα. Όπως ο Τσαντρασεκάρ βρήκε ένα άνω όριο για τις μάζες των λευκών νάνων, έτσι και οι Βολκόφ και Οππενχάιμερ αποκάλυψαν έναν παρόμοιο περιορισμό για τους αστέρες νετρονίων. Τι συμβαίνει στο αρχικό άστρο αν η μάζα του υπερβαίνει το όριο;

«Το ερώτημα του τι συμβαίνει […] παραμένει αναπάντητο», αποκρίθηκαν. Όμως κανένας δεν είχε ακόμα πανικοβληθεί. Ήξεραν ότι είχαν μόλις αρχίσει να ασχολούνται με το πρόβλημα. Ενδεχομένως, οι φυσικές ιδιότητες της τόσο συμπιεσμένης ύλης δεν ήταν ακόμα πλήρως κατανοητές- ίσως στο προσκήνιο να εμφανίζονται άγνωστες έως τώρα απωστικές δυνάμεις που να αποτρεπουν την οριστική κατάρρευση.

Για να μάθει την απάντηση, ο Οππενχάιμερ στρατολόγησε άλλον έναν μεταπτυχιακό φοιτητή, τον Χάρτλαντ Σνάυντερ, που φημιζόταν για τις ικανότητές του στα μαθηματικά κι έπαιζε στα δάχτυλα τη γενική σχετικότητα. Επρόκειτο για συνεργασία μοναδική. Ο Σνάυντερ είχε εργατικές ρίζες. Αντίθετα, «ο Όππι ήταν εξαιρετικά καλλιεργημένος- ήξερε λογοτεχνία, καλές τέχνες, μουσική, σανσκριτικά. Ο Χάρτλαντ, όπως και όλοι μας άλλωστε, ήταν λαϊκός τύπος. Αγαπούσε τα […] γλέντια, όπου […] τραγουδούσαμε σχολικά τραγούδια και τραγούδια του πιοτού. Απ’ όλους τους φοιτητές του Όππι, ο Χάρτλαντ ήταν ο πιο ανεξάρτητος», θυμόταν αργότερα ο Ουίλλιαμ Φάουλερ, φυσικός στο Caltech .Ο Οππενχάιμερ ζήτησε από τον Σνάυντερ να προχωρήσει την έρευνα, να ανακαλύψει τι συμβαίνει σ’ ένα άστρο νετρονίων που καταρρέει, στο άστρο που υπερβαίνει το όριο. Και όπως είπε αργότερα ο Οππενχάιμερ σε κάποιον συνάδελφο, τα αποτελέσματα του συγκεκριμένου εγχειρήματος ήταν «πολύ παράξενα».

Ο Οππενχάιμερ και ο Σνάυντερ ξεκίνησαν με αφετηρία ένα άστρο που έχει καταναλώσει τα καύσιμά του. Για να απλουστεύσουν, μάλιστα, τους υπολογισμούς εκείνη την εποχή των τεράστιων και δυσκίνητων υπολογιστών γραφείου, αγνόησαν κάποιες πιέσεις και την περιστροφή του άστρου. Διαφορετικά, θα ήταν αδύνατον να λύσουν το πρόβλημα.

Όταν χάσει πια τη θερμότητα από τις πυρηνικές καύσεις του, ο πυρήνας του αστέρα δεν μπορεί να στηρίξει τον εαυτό του ενάντια στην έλξη της ίδιας της βαρύτητάς του προς το κέντρο, και το αστρικό κουφάρι αρχίζει να συρρικνώνεται. Ο Οππενχάιμερ και ο Σνάυντερ διαπίστωσαν ότι αν αυτός ο πυρήνας είναι βαρύτερος από μια ορισμένη μάζα (σήμερα θεωρούμε ότι το όριο είναι περίπου οι δύο έως τρεις ηλιακές μάζες, το είδος του πυρήνα που βρίσκεται σε άστρα με βάρος από είκοσι πέντε Ήλιους και πάνω), το απομεινάρι του άστρου δεν θα μετατραπεί σε λευκό νάνο (όπως θα συμβεί με τον δικό μας Ήλιο) ούτε θα συμβιβαστεί με το να μείνει μια σφαίρα νετρονίων. Κι αυτό γιατί από τη στιγμή που η ύλη συμπιέζεται σε πυκνότητες πάνω από τα διακόσια δισεκατομμύρια κιλά ανά κυβικό εκατοστό, τα νετρόνια δεν μπορούν πια να φρενάρουν επαρκώς την κατάρρευση. Οι πιέσεις εκφυλισμού, που τώρα αναπτύσσονται από τα νετρόνια, δεν φτάνουν πια. Ο Οππενχάιμερ και ο Σνάυντερ υπολόγισαν ότι το άστρο θα συνεχίσει την ατέρμονη συρρίκνωσή του. Όταν πάρει η βαρύτητα το πάνω χέρι, δεν προβλέπεται διάλειμμα για να πάρουν ανάσα οι κουρασμένοι. Η ύλη μέσα σ’ ένα τέτοιο άστρο που καταρρέει βρίσκεται σε κατάσταση μόνιμης ελεύθερης πτώσης.

Τα τελευταία κύματα φωτός που διαφεύγουν προτού η «πόρτα» κλείσει οριστικά επιμηκύνονται σε τέτοιον βαθμό από την έλξη της βαρύτητας (από το ορατό περνούν στο υπέρυθρο, μετά στα ραδιοκύματα κι ακόμη παραπέρα) ώστε οι ακτίνες γίνονται αόρατες και το άστρο εξαφανίζεται από το οπτικό πεδίο. Ο χωρόχρονος υφίσταται τέτοια στρέβλωση γύρω από ένα άστρο που καταρρέει ώστε το άστρο κυριολεκτικά αυτοαποκαλείται από το υπόλοιπο σύμπαν. «Παραμένει μόνο το βαρυτικό πεδίο του», ανέφεραν οι φυσικοί του Μπέρκλεϋ.

Βρήκαν, επιπλέον, ότι το άστρο καταρρέει σε ένα σημείο, συμπιεσμένο σε μια ιδιομορφία άπειρης πυκνότητας και μηδενικού όγκου (κάτι που μοιάζει αδύνατον). Αυτό έλεγαν οι εξισώσεις τους, αλλά δίσταζαν να το πουν ευθέως. Ο λόγος ήταν οτι οι ιδιομορφίες προκαλούν τρόμο στους φυσικούς. Είναι ένα σήμα ότι υπ’ αυτές τις ακραίες συνθήκες κάτι δεν πάει καλά με τη θεωρία, ότι βρίσκονται σε μια επικράτεια όπου τα μαθηματικά που χρησιμοποιούν δεν περιγράφουν έγκυρα τα φυσικά δεδομένα. Είναι εξίσου άσχημο με το να προσπαθείς να διαιρέσεις έναν αριθμό με το μηδέν. Πόσα μηδενικά χωρούν στον αριθμό 8; Στο 29 ή στο 103; Σίγουρα, δεν υπάρχει οριστική απάντηση. Το πλήθος των μηδενικών είναι αναρίθμητο- με αλλά λόγια, το 29 + 0 + 0 + 0 + 0 + (μια ατέλειωτη σειρά από μηδενικά) εξακολουθεί να ισούται με 29. Είναι μια μαθηματική πράξη που δεν οδηγεί πουθενά. Το μηδέν που διαιρεί το 29 ισούται με άπειρο, απάντηση διόλου ικανοποιητική. Μια ιδιομορφία σε μια εξίσωση της φυσικής, όπου μια παράμετρος δραπετεύει στο άπειρο, υποδηλώνει ένα παρόμοιο αδιέξοδο. Με δεδομένη αυτή την άβολη κατάσταση, ο Οππενχάιμερ και ο Σναυντερ δεν είχαν διάθεση να ψάξουν περισσότερο. Αυτό που ανέφεραν ήταν ήδη αρκετά αλλόκοτο. Σύμφωνα με τον Βέρνερ Ίσραελ, ήταν «η πιο τολμηρή και παράδοξα προφητική εργασία που δημοσιεύτηκε ποτέ σ’ αυτό το πεδίο. […] Στην εργασία αυτή δεν υπάρχει τίποτα που να χρειάζεται σήμερα αναθεώρηση».

Στον τίτλο της εργασίας τους, ο Οππενχάιμερ και ο Σνάυντερ αποκάλεσαν το συγκεκριμένο φαινόμενο «συνεχιζόμενη βαρυτική συστολή», που καθιερώθηκε ως η πρώτη σύγχρονη περιγραφή μιας μαύρης τρύπας. Ωστόσο, ελάχιστοι έμαθαν για την εργασία αυτή, εν μέρει εξαιτίας της άτυχης συγκυρίας. Η εργασία των Οππενχάιμερ και Σνάυντερ δημοσιεύτηκε στο Physical Review την 1η Σεπτεμβρίου του 1939, την ίδια μέρα που ο Χίτλερ διέταξε τα στρατεύματά του να εισβάλουν στην Πολωνία, πυροδοτώντας την έναρξη του Β’ Παγκόσμιου Πολέμου. Διόλου περίεργο, λοιπόν, που η εργασία πέρασε σχεδόν απαρατήρητη. Επιπλέον, στο ίδιο τεύχος του περιοδικού δημοσιεύτηκε μια πρωτοποριακή εργασία των Νηλς Μπορ και Τζων Χουήλερ για την πυρηνική σχάση, θέμα πολύ πιο επείγον στο μυαλό των φυσικών της εποχής. Σε σύγκριση με αυτήν, τα άστρα που καταρρέουν μάλλον έμοιαζαν ασήμαντα. Ήταν η τελευταία εργασία του Οππενχάιμερ πάνω σ’ αυτό το θέμα. Αφού δεν υπήρχε ακόμα η φυσική που θα ακολουθούσε την καταρρέουσα υλη στην άβυσσό της, τι παραπάνω θα μπορούσε να κάνει;

Από επαγγελματική πλευρά, ήταν μια πρόσκαιρη παράκαμψη στην επιστημονική σταδιοδρομία του Οππενχάιμερ, που περιλάμβανε τρεις και μόνο εργασίες. Αμέσως μετά επέστρεψε στη δουλειά του για τα πυρηνικά σωματίδια και τη φυσική των κοσμικών ακτινών, απ’ όπου το 1942 πέρασε στο Σχέδιο Μανχάτταν των ΗΠΑ, που είχε στόχο την κατασκευή της πρώτης ατομικής βόμβας στον κόσμο. Οι φοιτητές του, μετά την αποφοίτησή τους, κατέλαβαν πανεπιστημιακές έδρες και δεν ασχολήθηκαν ποτέ ξανά με το θέμα. Οι περισσότεροι αστρονόμοι, ακόμη κι αν σκέφτονταν καμιά φορά το πρόβλημα, υπέθεταν ότι τα μεγάλης μάζας άστρα με τον καιρό απαλλάσσονται από το μεγαλύτερο μέρος της μάζας τους όσο χρειάζεται  ώστε στα γεράματα τους να παραμείνουν στην κατάσταση του λευκού νάνου. Μόνον ο Φριτς Τσβικυ συνέχισε να ασχολείται, με τους αστέρες νετρονίων δημοσιεύοντας μερικές εργασίες πάνω στο θέμα. Κάνεις δεν του έδωσε σημασία.

Ίσως οι αστρικοί άνεμοι, έλεγαν κάποιοι αστρονόμοι, μετέφεραν μεγάλες ποσότητες από τη μάζα των γερασμένων άστρων στο Διάστημά ίσως εκρήξεις στα άστρα διατηρούσαν κάθε αστρικό κατάλοιπο ίσο με μία ηλιακή μάζα ή και λιγότερο. Η δεύτερη υπόθεση, μάλιστα, δεν έμοιαζε αβάσιμη, αφού οι αστρονόμοι είχαν μόλις αρχίσει να αναγνωρίζουν τους αστέρες Βολφ-Ραγε, που κάνουν ακριβώς αυτό. Πρόκειται για μεγάλης μάζας άστρα σε προχωρημένη εξέλιξη, τα οποία εκτοξεύουν, μέσω ισχυρών αστρικών ανέμων, τεράστιες ποσότητες ύλης κάθε χρόνο, που είναι ένα δισεκατομμύριο φορές περισσότερη από εκείνην που εκτοξεύει ο Ήλιος μας.

Αλλά ακόμη κι αν ένα ουράνιο αντικείμενο κατέρρεε βαρυτικα κάπου στο στερέωμα, ήταν ουσιαστικά αόρατο. Κανένα τηλεσκόπιό της εποχής δεν μπορούσε να επιβεβαιώσει την ύπαρξη ενός αστέρα νετρονίων ή μιας μαύρης τρύπας. Οι αστρονόμοι δεν το ήξεραν τότε, αλλά έπρεπε να περιμένουν την ανάπτυξη νέων εργαλείων και νέων τεχνικών για να σαρώσουν τους ουρανούς — για να εντοπίσουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα πέρα από το ορατό φάσμα.

Και οι ειδικοί της γενικής σχετικότητας; Δεν είχαν ενθουσιαστεί μ’ αυτό το νέο, εκπληκτικό εύρημα που προέκυπτε από τη γενική σχετικότητα; Η αλήθεια είναι ότι δεν του έδιναν καν σημασία. Εκείνη την εποχή, τους ειδικούς στη σχετικότητα τους ενδιέφεραν περισσότερο τα μυστήρια του στρεβλωμένου χωροχρόνου και όχι η πρακτική χρήση της στην αστροφυσική. Οι μαθηματικοί φυσικοί της εποχής αντιμετώπιζαν τη γενική θεωρία της σχετικότητας σαν ένα παιχνίδι” ήταν διασκεδαστικό να ασχολείσαι μαζί της, αλλά στο μυαλό τους δεν τη συνέδεαν με τον ουράνιο θόλο (με πιθανή εξαίρεση την κάμψη του αστρικού φωτός κοντά στον Ήλιο). Τα χρόνια εκείνα η γενική σχετικότητα διδασκόταν πρωτίστως στο πλαίσιο των μαθηματικών, όχι της φυσικής. Οι ειδικοί δεν ενδιαφέρονταν για πειραματικά αποτελέσματα ή εφαρμογές, αλλά κυρίως για αυστηρές μαθηματικές αποδείξεις.

Μολονότι κανένας Δυτικός δεν ασχολήθηκε περαιτέρω με τη βαρυτική κατάρρευση, ο Λαντάου στη Σοβιετική Ένωση εντυπωσιάστηκε βαθιά. Πρόσθεσε την εργασία των Οππενχάιμερ-Σνάυντερ στη «χρυσή λίστα» του, έναν κατάλογο με τις κλασικές εργασίες που θεωρούσε ότι πρέπει κανείς να έχει διαβάσει.

Πολλά χρόνια αργότερα, ο φυσικός Φρήμαν Ντάυσον προσπάθησε να μιλήσει στον Οππενχάιμερ για εκείνη την εργασία του πάνω στις μαύρες τρύπες, αλλά ο πατέρας της ατομικής βόμβας δεν δέχτηκε να ακούσει λέξη. Επειδή ο Οππενχάιμερ πίστευε ότι απλώς εφάρμοσε τους νομούς του Αϊνστάιν στα άστρα που καταρρέουν κι οτι δεν είχε ανακαλύψει κάποιον καινούργιο νόμο της φυσικής, ο Ντάυσον υποψιάζεται οτι ο Οππενχάιμερ θεωρούσε το επίτευγμά του άξιο μόνο για «μεταπτυχιακούς φοιτητές ή, έστω, φυσικούς τρίτης διαλογής» Δεν θεωρούσε τον άθλο του ως θρίαμβο της θεωρίας. Ωστόσο, ο Ντάυσον είχε αντίθετη άποψη. Περιέγραψε την εργασία του Οππενχάιμερ για τη συνεχιζόμενη βαρυτική συστολή ως την «πιο σημαντική συνεισφορά του στην επιστήμη […] ένα αριστούργημα παράγωγης επιστήμης, που παίρνοντας μερικές από τις βασικές εξισώσεις του Αϊνστάιν μας έδειξε πως αυτές πυροδοτούν εκπληκτικά και απρόσμενα φαινόμενα στον πραγματικό κόσμο της αστροφυσικής».

Απόσπασμα από το βιβλίο του Μάρσα Μπαρτούσακ – Μαύρες τρύπες, η μεγάλη περιπέτεια μιας ανατρεπτικής επιστημονικής ιδέας μτφρ.: Νέστορας Χούνος – Παναγιώτης Δρεπανιώτης. Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης

by Αντικλείδι , https://antikleidi.com