1η φάση «Αρίσταρχος» 2003, Λύκειο, Θέμα 4: εκφώνηση και λύση

(Α) Τι είναι: περιοχή του χώρου όπου η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή ώστε τίποτα, ούτε το φως, δεν μπορεί να διαφύγει. Η ταχύτητα διαφυγής ξεπερνά την ταχύτητα του φωτός. Δημιουργία: όταν ένα πολύ μαζικό άστρο (με περισσότερες από περίπου 20 ηλιακές μάζες) εξαντλήσει τα καύσιμά του, ο πυρήνας του καταρρέει. Αν μείνουν περισσότερες από περίπου 3 ηλιακές μάζες, καμία πίεση δεν σταματά την κατάρρευση. Υπάρχουν και υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, εκατομμυρίων έως δισεκατομμυρίων ηλιακών μαζών, στα κέντρα των γαλαξιών.

(Β) Δομή: ο ορίζοντας γεγονότων είναι το «σύνορο χωρίς επιστροφή», με ακτίνα Schwarzschild $R_s=2GM/c^2$ (περίπου 3 km για μία ηλιακή μάζα). Στο κέντρο, σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, υπάρχει μια ανωμαλία (singularity). Γύρω της συχνά σχηματίζεται δίσκος προσαύξησης: ύλη που στροβιλίζεται, θερμαίνεται σε εκατομμύρια βαθμούς και ακτινοβολεί ακτίνες Χ πριν πέσει μέσα. Μπορεί να εκτοξεύονται και πίδακες με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός.

(Γ) Έχουν παρατηρηθεί; Ναι. Το 2003 οι ενδείξεις ήταν ήδη ισχυρές αλλά έμμεσες: διπλά συστήματα ακτίνων Χ όπως ο Κύκνος Χ-1 (1971), με αόρατο συνοδό πολύ βαρύ για αστέρα νετρονίων, και οι τροχιές άστρων γύρω από το κέντρο του Γαλαξία μας (Sgr A*, περίπου 4 εκατομμύρια ηλιακές μάζες· Νόμπελ 2020). Από τότε: το 2015 το LIGO ανίχνευσε τα βαρυτικά κύματα από τη συγχώνευση δύο μαύρων τρυπών, και το Event Horizon Telescope φωτογράφισε τη «σκιά» της μαύρης τρύπας του M87 (2019) και του Sgr A* (2022).