Penki mitai apie juodąsias skyles

Kosmosas Penki mitai apie juodąsias skyles...

Juodoji skylė – terminas, girdėtas daugumai astronomija besidominčių žmonių. Teoriškai jos išmąstytos prieš šimtą metų, o aptiktos daugiau nei prieš trisdešimt. Astronomai skiria du juodųjų skylių tipus: žvaigždinės juodosios skylės atsiranda iš masyvių žvaigždžių po supernovų sprogimų, supermasyvios randamos galaktikų centruose. Pastarosios yra labai svarbios galaktikų ir visos Visatos evoliucijai. Teoriškai gali egzistuoti ir mikroskopinės juodosios skylės, tačiau jų dar nesame aptikę. Ir visgi populiarus supratimas apie juodąsias skyles dažnai gerokai prasilenkia su tuo, ką apie jas sako mokslas. Šįkart pristatysiu penkis teiginius apie juodąsias skyles, kurie nėra visai teisingi. Kai kurie iš jų – visiški mitai, kiti pernelyg supaprastina tam tikrus dalykus, dar kiti... na, geriau tiesiog paskaityti.

Pirmasis mitas. Juodosios skylės yra kosminiai dulkių siurbliai

Juodoji skylė yra objektas, iš kurio niekas negali ištrūkti. Kartais šis apibrėžimas sukelia įspūdį, kad tai yra tarsi dulkių siurblys, traukiantis į save viską aplinkui, ar tai būtų dujos, ar planetos, ar žvaigždės, o gal net ir galaktikos. Bet iš tiesų juodosios skylės nieko ypatingai nesiurbia. Taip, jos traukia aplink esančius objektus, bet tik dėl gravitacijos, kaip ir bet koks kitas masę turintis objektas. Dešimt kartų už Saulę masyvesnė žvaigždė savo porininkę dvinarėje sistemoje traukia taip pat stipriai, kaip ir tokioje pačioje orbitoje esanti juodoji skylė. Milijoną kartų už Saulę masyvesnis milžiniškas tarpžvaigždinių dujų debesis aplink esančias žvaigždes traukia taip pat stipriai, kaip ir tokios pačios masės supermasyvi juodoji skylė galaktikos centre.

Dvinarės žvaigždės Gulbės X-1 vizualizacija. Juodoji skylė (kairėje) siurbia žvaigždės-kompanionės dujas ir suformuoja diską aplink save. Šaltinis: NASA, Chandra

Viena priežastis, kodėl juodosios skylės susilaukia „dulkių siurblių“ epiteto, yra ta, kad jos kartais tikrai „siurbia“ medžiagą iš žvaigždės-kompanionės. Taip atsitinka ne dėl kokių nors mistinių juodosios skylės sugebėjimų. Tiesiog juodosios skylės, esančios dvinarėse sistemose, yra daugybę kartų mažesnių matmenų, nei tokios pat masės žvaigždės. Pavyzdžiui, jei Saulė taptų juodąja skyle, jos skersmuo susitrauktų iki trijų kilometrų. Toks mažas objektas gali priartėti gerokai arčiau žvaigždės-kompanionės, nei normali žvaigždė, o tada juodosios skylės trauka įveikia žvaigždės trauką, ir dalis kompanionės medžiagos patenka į juodąją skylę. Bet jokio stebuklo čia nėra, tiesiog sena gera gravitacija.

Antrasis mitas. Juodosios skylės yra neįsivaizduojamai tankios

Jeigu Saulę suspausime į trijų kilometrų skersmens sferą, ji taps tikrai neįsivaizduojamai tanki. Neutroninių žvaigždžių, kurių dydis tik šiek tiek viršija juodųjų skylių gabaritus, medžiagos tankis yra toks, kad viename litre telpa didesnė masė, negu Everesto. Tokie palyginimai sunkiai suvokiami, bet leidžia kažkiek vizualizuoti tuos milžiniškus tankius.

Tuomet kodėl rašau, kad tai yra mitas? Todėl, kad šis teiginys yra ne visiškai teisingas. Norėdami rasti juodosios skylės tankį, jos masę turime padalinti iš tūrio. Vienintelis tūris, kurį galime tiksliai išmatuoti, yra tūris erdvės, kurią riboja įvykių horizontas – paviršius, iš už kurio pabėgti nebeįmanoma.

Įvykių horizonto spindulys yra tiesiogiai proporcingas juodosios skylės masei, tad jo ribojamos erdvės tūris proporcingas masei, pakeltai kubu. Padalinę masę iš tūrio gauname dydį, kuris atvirkščiai proporcingas juodosios skylės masės kvadratui. Taigi kuo juodoji skylė masyvesnė, tuo jos tankis yra mažesnis. Šimtą milijonų kartų už Saulę masyvesnė juodoji skylė – tokios yra tipinės galaktikų centruose esančių juodųjų skylių masės – yra maždaug tokio tankio, kaip vanduo. Masyviausios juodosios skylės, kurių masės siekia keliolika milijardų Saulės masių, yra mažesnio tankio, nei oras.

Žvaigždės potvyninio suardymo schema. Šaltinis: NASA, Chandra

Toks mažas masyvių juodųjų skylių tankis daro jas ne tokias pavojingas, kaip mažesnės. Artėjant prie juodosios skylės, bet kokio objekto skirtingos dalys jaučia skirtingą trauką – pavyzdžiui hipotetinio astronauto, krentančio kojomis pirmyn, galva būtų traukiama silpniau, nei kojos. Kuo arčiau juodosios skylės (ar bet kokio kito objekto – čia juk veikia tik gravitacija!), tuo skirtumas didesnis.

Jei skirtumas tampa per didelis, objektas yra suplėšomas į gabalus – tai vadinama potvyniniu suardymu. Jei juodoji skylė yra tik keletą kartų masyvesnė už Saulę, potvyninis suardymas įvyksta labai toli nuo įvykių horizonto. Tačiau supermasyvi juodoji skylė tempia gerokai vienodžiau, todėl prie jos ne tik priartėti teoriškai įmanoma, bet ir kirsti įvykių horizontą nesuplėšytam. Žvaigždės, kurių tankiai šiek tiek mažesni nei žmonių, gali būti suardytos, priartėjusios prie juodosios skylės, mažesnės nei 100 milijonų Saulės masių. Didesnės juodosios skylės ir žvaigždes praryja visas.

Trečiasis mitas. Juodosios skylės yra juodos

Šis mitas irgi yra ne visiškai neteisingas. Pagal apibrėžimą, iš juodosios skylės niekas negali ištrūkti, o jei iš jos nesklinda jokia spinduliuotė, tai objektas turėtų būti visiškai juodas. Ilgą laiką astronomai galvojo, kad juodąsias skyles būtų įmanoma aptikti tik dėl jų gravitacinio poveikio žvaigždėms-kompanionėms. Bet aplink juodąsias skyles šviesos gali būti netgi labai daug.

Juodoji skylė, esanti dvinarėje sistemoje, gali prisitraukti kompanionės medžiagą. Ši medžiaga nekrenta tiesiai į juodąją skylę, bet lekia truputį pro šalį, nes atsiskyrė nuo žvaigždės, kuri judėjo orbitoje. Juodosios skylės gravitacija medžiagą traukia, ir pastaroji netrunka susisukti į žiedą arba diską.

Supermasyvių juodųjų skylių galaktikų centruose atveju, diskai gali formuotis, kai šalia juodosios skylės pralekia koks dujų debesis, kurį juodosios skylės gravitacija išardo ir susuka aplink save. Diską sudarančios dujos trinasi tarpusavyje, įkaista ir ima švytėti. Jos gali pasiekti tokias aukštas temperatūras, kad šviečia ultravioletinių ar rentgeno spindulių ruože. Prie pat juodosios skylės diskas sustorėja ir suformuoja juodosios skylės vainiką – ypatingai karštų dujų telkinį, iš kurio sklinda energinga rentgeno spinduliuotė.

Supermasyvios juodosios skylės akrecinio disko vizualizacija. Šaltinis: NASA / Dana Berry, SkyWorks Digital

Taigi visokiausių elektromagnetinių bangų prie juodųjų skylių netrūksta. Tiesa, toli gražu ne visų. Kiekviena supermasyvi juodoji skylė yra aktyvi mažiau nei 10 proc. savo gyvenimo laiko.

Juodųjų skylių dvinarėse sistemose mūsų Galaktikoje žinome tik kelias dešimtis, o apskritai žvaigždinių juodųjų skylių Paukščių Take turėtų būti apie šimtą milijonų. Tad daugybė juodųjų skylių tikrai yra juodos. Bet ne visos.

Ketvirtasis mitas. Juodosios skylės yra labai sudėtingi objektai

Diskai ir kitos struktūros aplink juodąsias skyles yra tikrai sudėtingi objektai, kuriems tirti reikia ir detalių stebėjimų, ir gerų skaitmeninių modelių. Tačiau pačios juodosios skylės yra, galima sakyti, visiškai paprastos, daug kuo panašios į elementariąsias daleles.

Juodąsias skyles ir jų tiesioginį poveikį aplinkai aprašo tam tikri bendrosios reliatyvumo teorijos lygčių sprendiniai. Visi šie sprendiniai priklauso tik nuo trijų juodosios skylės savybių: masės, sukimosi greičio ir elektrinio krūvio. Realioms juodosioms skylėms svarbios tik pirmos dvi savybės, nes jų krūvis turėtų būti nykstamai mažas. Kai į juodąją skylę įkrenta koks nors objektas, išauga juodosios skylės masė, taip pat pasikeičia jos sukimosi greitis – jis gali padidėti arba sumažėti, priklausomai nuo to, kuria kryptimi judėjo įkritęs kūnas. Šios dvi savybės nulemia ir juodosios skylės įvykių horizonto formą – ji gali būti arba tiksliai sferiška (jei juodoji skylė nesisuka), arba suplota (jei sukasi). Prie besisukančios juodosios skylės egzistuoja erdvės sritis, kurioje dalelės negali išlikti stacionarios – jos privalo suktis ta pačia kryptimi, kaip juodoji skylė, arba įkristi į ją. Vos dvi reikšmingos savybės – gerokai mažiau, nei turi dauguma elementariųjų dalelių. Tad juodosios skylės iš tiesų yra labai paprastos.

Besisukanti juodoji skylė tempia ir susuka erdvę paskui save. Šaltinis: Joe Bergeron

Iš kitos pusės, bendroji reliatyvumo teorija – dar ne viskas. Šiuo metu vis ieškoma būdų, kaip apjungti ją ir kvantinę fiziką, dvi geriausiai realybę aiškinančias teorijas. Viena iš sričių, kuriose šių teorijų prognozės susiduria ir prieštarauja viena kitai, yra būtent juodosios skylės. Kvantinė fizika teigia, kad informacija, kurią turi į juodąją skylę krentantys kūnai, negali pranykti, tad kyla klausimas, kur ji pasideda. Nėra šimtaprocentinės garantijos ir kad juodosios skylės tikrai gali turėti tik sferišką arba suplotą formą. Mikroskopiniuose masteliuose įvykių horizontas galimai nėra tolygus.

Tokie klausimai neduoda ramybės mokslininkams, bet atsakymo į juos kol kas neturime. Gali būti, kad dalis to atsakymo bus supratimo apie juodąsias skyles ir jų sudėtingumą pokytis.

Penktasis mitas. Galaktikos sukasi aplink juodąsias skyles

Pabaigoje pažvelkime į didesnį mastelį. Supermasyvios juodosios skylės randamos daugumos galaktikų centruose. Ar tai reiškia, kad galaktikos sukasi aplink savo juodąsias skyles, kaip planetos aplink Saulę?

Nereiškia. Planetos aplink Saulę sukasi todėl, kad ji sudaro 99 procentus Saulės sistemos masės. O juodoji skylė, nors ir supermasyvi, yra bent tūkstantį kartų mažesnės masės nei galaktika.

Vos kelių ar keliolikos parsekų atstumu nuo juodosios skylės medžiagos – žvaigždžių, dujų ir tamsiosios materijos – yra tiek, kad juodosios skylės gravitacija tampa nereikšminga. O galaktikų dydžiai matuojami dešimtimis kiloparsekų. Žvaigždžių judėjimą galaktikose nulemia pačių žvaigždžių ir kitos medžiagos pasiskirstymas, kuriantis gravitacinį potencialą. Ir juda žvaigždės toli gražu ne tik apskritimais ir elipsėmis, kaip planetos; jų orbitos gali būti labai netaisyklingos ir laikui bėgant labai keistis.

Galaktika M81. Žiūrint tokiu masteliu, centrinės juodosios skylės pamatyti neįmanoma. Švytėjimas centrinėje galaktikos dalyje matomas dėl didelio ten esančių žvaigždžių tankio. Šaltinis: Subaru Telescope, Hubble Space Telescope, NASA, Roberto Colombari, Robert Gendler

Arti juodosios skylės gali būti žvaigždžių, kurios juda panašiai, kaip planetos aplink žvaigždę. Mūsų Galaktikos, Paukščių Tako, centre tokių žvaigždžių žinoma daugiau nei šimtas, bet turbūt yra gerokai daugiau. Tiesa, jų orbitos, priešingai nei planetų, nėra išsidėsčiusios vienoje plokštumoje, nes šios žvaigždės formavosi ne iš vieno plokščio disko.

Visos šios žvaigždės yra nutolusios gerokai mažiau nei vieno parseko atstumu nuo juodosios skylės. Šis atstumas yra daugybę kartų mažesnis už atstumą tarp Saulės ir Galaktikos centro, kuris siekia aštuonis tūkstančius parsekų, o tolimiausios Paukščių Tako žvaigždės nuo centro nutolusios išvis per daugiau nei 100 tūkstančių parsekų. Tokiu atstumu centrinė juodoji skylė ir jos gravitacija yra tik mažytė visos galaktikos dalis.

Techo naujienos į Jūsų el. pašo dėžutę: