Neeilinis astronominis atradimas, įrašytas į fizikos istoriją ir ką iš tikro jau žinome apie juodąsias skyles (1)
Balandžio pradžioje pristatytas neeilinis astronominis atradimas – pirmoji supermasyvios juodosios skylės nuotrauka. Nors ir sulaukęs ne tokio atgarsio, kaip gravitacinių bangų ar Higso bozono atradimas, šis įvykis taip pat įeis į fizikos mokslo istoriją.
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Toje nuotraukoje užfiksuotas artimiausias juodajai skylei regionas, kokį išvis įmanoma pamatyti. Šis rezultatas vainikavo daugybę metų trukusį darbą ir dar kartą patvirtino bendrosios reliatyvumo teorijos prognozes. Skamba paradoksaliai, bet toks patvirtinimas mokslininkus šiek tiek nuvylė.
Iš juodosios skylės niekas negrįžta
Juodoji skylė yra objektas, iš kurio negali ištrūkti net šviesa. Pirmą kartą tokie objektai teoriškai aprašyti dar XVIII a. pabaigoje, bet rimčiau pradėti nagrinėti XX a. pradžioje, išplėtojus bendrąją reliatyvumo teoriją. Ši teorija, paskelbta 1915 m., teigia, kad masyvūs objektai aplink save iškreipia erdvę – šio iškreipimo padarinius suprantame kaip gravitacijos jėgą. 1916 m. vokietis Karlas Schwarzschildas apskaičiavo, kad masyvus kompaktiškas objektas gali tarsi praplėšti erdvę ir prie jo per arti priartėję objektai niekada nebegalės ištrūkti.
Sfera, žyminti ribą, iš už kurios grįžti nebeįmanoma, vadinama įvykių horizontu, o jos spindulys – Švarcšildo spinduliu. Vis dėlto juodosios skylės dar apie pusšimtį metų nebuvo visuotinai pripažintos, daugelis mokslininkų jas laikė tik matematinėmis įdomybėmis. Tačiau septintajame ir aštuntajame dešimtmetyje atrasti labai ryškūs ir daug ultravioletinių bei rentgeno spindulių skleidžiantys kosminiai objektai paaiškėjo esą būtent K. Schwarzschildo ir kitų mokslininkų teoriškai aprašytos juodosios skylės.
Jei iš juodosios skylės niekas neištrūksta, kaip ji gali tapti rentgeno spindulių šaltiniu? Energingą spinduliuotę skleidžia ne pati juodoji skylė, bet aplink ją besisukančios dujos. Stiprios gravitacijos veikiama medžiaga juda labai greitai ir įkaista, o tada ima spinduliuoti. Ši spinduliuotė gali būti ne tik energinga, bet ir ryški – nustelbti visos galaktikos žvaigždžių skleidžiamą šviesą. Tiesa, tam reikia, kad juodoji skylė būtų ne bet kokia, o supermasyvi.
Atsirado netrukus po Didžiojo sprogimo
Astronomai juodąsias skyles skirsto į dvi rūšis – žvaigždines ir supermasyvias. Žvaigždinės juodosios skylės atsiranda, kai gyvenimą baigia masyvi žvaigždė. Ji sprogsta supernovos sprogimu, o jos centrinė dalis susitraukia ir pranyksta už įvykių horizonto, suformuodama juodąją skylę, kurios masė gali 3–100 kartų viršyti Saulės masę. Jei tokia juodoji skylė sukasi dvinarėje sistemoje su įprasta žvaigžde, ji gali prisitraukti pastarosios medžiagą.
Tada ir atsiranda energinga spinduliuotė. Jeigu juodosios skylės kompanionė yra antra juodoji skylė arba kita žvaigždės sprogimo liekana – neutroninė žvaigždė, šviesos spindulių sistema skleidžia mažai arba neskleidžia išvis, tačiau ją galima aptikti gravitacinių bangų detektoriais, kaip ir buvo pirmą kartą padaryta 2015 m. rugsėjį.
Supermasyvios juodosios skylės aptinkamos daugumos galaktikų centruose. Jos atsirado netrukus po Didžiojo sprogimo („netrukus“ šiuo atveju reiškia kelis šimtus milijonų metų, bet tai yra trumpas laiko tarpas, palyginti su Visatos amžiumi, kuris siekia 13,8 milijardo). Iš pradžių jų masės buvo gerokai mažesnės nei dabartinės – galbūt net palyginamos su žvaigždžių masėmis. Laikui bėgant, jos išaugo iki milijonus ar net milijardus kartų masyvesnių už Saulę objektų, kurie gali turėti labai reikšmingą poveikį savo galaktikoms.
Net ir supermasyvios juodosios skylės masė yra mažytė, palyginti su visa galaktika. Tad ir jų gravitacija reikšmingai nepaveikia galaktikos žvaigždžių ir dujų judėjimo. Bet dujos, krisdamos į tokią juodąją skylę, gali spinduliuoti daugiau energijos nei visos galaktikos žvaigždės kartu sudėtos. Spinduliuotė, sklindanti iš galaktikos centro, gali įkaitinti ir išstumti aplinkines dujas, taip sustabdydama žvaigždžių formavimąsi galaktikoje, mat pastarajam procesui reikia šaltų tankių dujų. Arba priešingai, dujas gali ir suspausti, taip sukeldama žvaigždėdaros žybsnį.
Šie procesai - ypač jų detalės - kol kas nėra iki galo išaiškinti, bet vis detalesni stebėjimai ir skaitmeniniai galaktikų evoliucijos modeliai padeda atskleisti kai kurias paslaptis.
Abejonės dėl juodųjų skylių
Visi šie įrodymai apie juodųjų skylių egzistavimą ir jų poveikį aplinkai yra tik netiesioginiai. Kad ir kaip gerai jie atitiktų teorines prognozes, visada lieka abejonių, jog galbūt egzistuoja ir kitokie egzotiški objektai, pasižymintys labai panašiomis į juodųjų skylių savybėmis, bet neturintys įvykių horizontų.
Šias dvejones gana tvirtai į šalį nustūmė būtent minėtoji juodosios skylės nuotrauka. Galaktikos M87 centrinė supermasyvi juodoji skylė, pagal tradiciją žymima M87*, nuotraukai pasirinkta neatsitiktinai. Jos įvykių horizontas mūsų dangaus skliaute yra antras didžiausias iš visų žinomų juodųjų skylių. Didžiausia šiuo požiūriu yra mūsų galaktikos, Paukščių Tako, centre esanti juodoji skylė Šaulio A*.
Bet ją nufotografuoti daug sunkiau, nes absoliučiu masteliu Šaulio A* yra tūkstantį kartų mažesnė už M87 juodąją skylę, todėl dujos aplink ją juda daug greičiau, taigi nuotraukoje gautas vaizdas būtų tūkstantį kartų labiau išsiliejęs. Net ir M87* nuotrauka pareikalavo penkias dienas trukusių nenutrūkstamų stebėjimų, naudojant į vieną tinklą sujungtus po visą pasaulį išsidėsčiusius radijo teleskopus. Inovatyviai apdorojus gautus duomenis pavyko pasiekti geresnę raišką nei bet kada anksčiau – tokio ryškumo nuotrauka leistų įžiūrėti teniso kamuoliuką Mėnulio paviršiuje.
Šitaip pamatėme ne patį įvykių horizontą, bet juodosios skylės šešėlį – regioną, iš kurio mūsų nepasiekia jokie fotonai, nes tam, kad mus pasiektų, jie turėtų būti prieš tai kirtę įvykių horizontą, o tai, kaip žinome, yra neįmanoma. Tad šioje nuotraukoje užfiksuotas artimiausias įvykių horizontui vaizdas, kokį teoriškai galime pamatyti.
Siekiama gilesnio supratimo apie Visatą
Šis rezultatas yra kartu ir puikus, ir šiek tiek nuviliantis. Jis dar kartą patvirtino bendrosios reliatyvumo teorijos prognozes. Viena vertus, galime džiaugtis – reliatyvumo teorija atlaikė visus išbandymus, kuriuos sugalvojome jai patikrinti. Kita vertus, jau kurį laiką žinojome, kad reliatyvumo teorija negali būti galutinis atsakymas, kaip veikia Visata. Kai kurios jos prognozės nesutampa su kvantinės fizikos – kitos itin sėkmingos ir visus bandymus atlaikančios teorijos – prognozėmis.
Deja, kol kas nėra galimybės šių prognozių patikrinti, nes tam reikėtų pažvelgti už juodosios skylės įvykių horizonto ar į pirmąsias Visatos egzistavimo sekundes. Kai kurie mokslininkai tikisi, kad užuominų apie gilesnę teoriją rasime ir kitur, o juodosios skylės šešėlio dydis ir forma buvo viena iš jų. Vis dėlto ši nuotrauka nesuteikė tokios galimybės. Galbūt pasiseks su kitomis juodosiomis skylėmis – gal paaiškės, kad ne visų jų šešėliai yra tokie, kokius prognozuoja reliatyvumo teorija.
Tai būtų žingsnis gilesnio supratimo apie Visatą link. Žinoma, dar geriau būtų kažkaip prasiskverbti pro įvykių horizontą ir sužinoti, kas iš tiesų vyksta už jo. To padaryti galimybės kol kas neturime ir gali būti, kad neturėsime niekada.
Kol kas tenka laukti daugiau juodųjų skylių nuotraukų. Net jei jos neatskleis fundamentalių Visatos paslapčių, jas analizuodami pagerinsime supratimą apie juodųjų skylių sąveiką su aplinka. Kaip juda dujos prie pat juodosios skylės, kaip ten susisuka magnetinis laukas, kaip susidaro labai greitai judančios medžiagos čiurkšlės, lekiančios nuo juodųjų skylių ir kartais net išsiveržiančios iš galaktikų – visa tai yra svarbūs ir įdomūs klausimai, į kuriuos atsakyti bandome dešimtmečius. Naujausios nuotraukos labai padės ieškant šių atsakymų.
