Mokslas ir IT

2021.02.26 22:10

Juodosios skylės ir Visatos paslaptys – ko negali paaiškinti net mokslininkai?

VU tinklalaidė „Mokslas be pamokslų“, LRT.lt2021.02.26 22:10

Prieš beveik dvejus metus pasirodžiusi pirmoji juodosios skylės, esančios M87 galaktikoje, nuotrauka pažadino ir mažai astronomija besidominčiųjų smalsumą. Sunkiai įsivaizduojamose kosmoso platybėse esantis objektas, primenantis raudoną akį juodu vyzdžiu – tik viena iš daugelio Visatoje esančių supermasyvių juodųjų skylių – tinklalaidėje „Mokslas be pamokslų“ sako Vilniaus universiteto (VU) Fizikos fakulteto docentas, astrofizikas Kastytis Zubovas. Mokslininkas, kurio tyrimų sritis – juodosios skylės, pasakoja, kaip šie egzotiški dariniai atsiranda, pranyksta ir ar gali kelti grėsmę žmonijai.

Juodosios skylės – sunkiai suvokiami dydžiai ir fantastinės idėjos

Pasak doc. K. Zubovo, juodąsias skyles galima suvokti dviem būdais – viena vertus, tai ekstremalūs dariniai erdvėje, iš kurių ištrūkti negali net didžiausiu įmanomu greičiu Visatoje judanti šviesa, jiems būdingos ir egzotiškos savybės, tokios kaip erdvės ir laiko išsikreipimas. „Šių savybių stebėjimai ir tyrimai gali padėti patikrinti reliatyvumo teorijos prognozes ar atrasti dar neatrastos, nepažintos fizikos. Kalbama apie fantastiškas idėjas, kaip kelionės laiku ar į labai tolimas erdves, vietas, keliaujant greičiau už šviesą“, – pasakoja VU mokslininkas.


Kita vertus, juodosios skylės, pasak doc. K. Zubovo, yra realūs astrofizikiniai objektai, o reiškiniai, kurie vyksta aplink juodąsias skyles, turi įtakos labai didelio masto procesams kosmose. Šiuo požiūriu juodoji skylė svarbi ne kaip ekstremalus savo reiškiniais objektas, bet kaip masyvus stiprią gravitaciją turintis objektas, į kurį krentanti medžiaga netenka labai daug energijos ir dažniausiai tą energiją išspinduliuoja: „Taip sukuriamas labai energingos spinduliuotės šaltinis galaktikoje. Būtent šiuo, antruoju aspektu aš ir nagrinėju juodąsias skyles – kaip tokia spinduliuotė, atsirandanti šalia juodųjų skylių, gali paveikti galaktikų evoliuciją.“

Dalis VU astrofiziko tyrimų yra susiję su Paukščių Tako galaktikos centre esančia supermasyvia juodąja skyle Šaulio A*: „Šaulio – todėl, kad mūsų galaktikos centras yra Šaulio žvaigždyno kryptimi, o A ir * yra terminai, atsiradę iš radijo bangų diapazono stebėjimų priimtos nomenklatūros. Šaulio A* yra artimiausia Žemei supermasyvi juodoji skylė, todėl yra patogi įvairiems tyrinėjimams, leidžiantiems įvairius procesus ir reiškinius palyginti su kitomis juodosiomis skylėmis, objektais ir pokyčiais laikui bėgant“, – teigia mokslininkas.

Pagal dydį astrofizikoje išskiriami du juodųjų skylių tipai – supermasyviosios ir žvaigždinės juodosios skylės. Supermasyviosios yra maždaug 100 tūkst. kartų didesnės už Saulę ir randamos daugumos galaktikų centruose, pačios masyviausios juodosios skylės gali siekti net keliasdešimt mlrd. Saulės masių. Didžiausios žvaigždinės juodosios skylės yra apie 150 kartų masyvesnės už Saulę, o mažiausios – didesnės vos 3–5 kartus.

„Žvaigždinės juodosios skylės atsiranda kaip masyvios žvaigždės ir baigia savo gyvenimą sprogdamos supernovos sprogimais. Šių juodųjų skylių turėtų būti daug kiekvienoje galaktikoje, taip pat ir Paukščių Take. Kai kurias jų galime aptikti, jeigu jos yra dvinarėse sistemose ir sąveikauja su kita žvaigžde”, – pasakoja doc. K. Zubovas.

Pirmoji nuotrauka ir juodųjų skylių paslaptys

Prieš beveik dvejus metus paskelbtoje M87 galaktikos centre esančios juodosios skylės M87* nuotraukoje matomas tamsus skritulys ir ryškus švytėjimas aplink jį pažadino ne vieno astronomijos gerbėjo vaizduotę. Tačiau doc. K. Zubovas paaiškina, kad šis švytėjimas – apie juodąją skylę susitelkusios besisukančios dujos, kurių šviesa atsklinda iki mūsų, o pačiame centre yra vadinamasis juodosios skylės šešėlis – regionas, iš kurio fotonai mūsų pasiekti nebegali, nes ten įskrieję jie galiausiai patenka į juodąją skylę.

„Fotonų šešėlio spindulys šiek tiek didesnis už vadinamąjį įvykių horizonto spindulį – vienpusio paviršiaus spindulį. Pastarasis yra riba, per kurią patenkama į juodosios skylės vidų, bet įkritus pro įvykio horizontą kelio atgal nėra. O kaip atrodo juodoji skylė esant šalia jos, gana gerai pavaizduota filme „Tarp žvaigždžių“ („Interstellar“) – tai skylė, aplink kurią sukasi į paplokščią struktūrą susiplojusios dujos, vadinamos akreciniu disku. Dėl labai stiprios juodosios skylės gravitacijos fotonų trajektorijos išsikreipia taip, kad mes matome ir tą disko dalį, kuri yra už juodosios skylės, dėl to atrodo, kad tai ne paplokščias diskas, o išlenktas darinys“, – pasakoja VU mokslininkas.

Pasak doc. K. Zubovo, viena iš įdomiausių juodosios skylės paslapčių yra tai, kas laukia anapus įvykių horizonto. Iki šiol nėra žinoma, kas už jo slypi, nors viena pirmųjų apskaičiuotų prognozių, nusakiusių, kad, didelei masei susitelkus į pakankamai kompaktišką regioną, turėtų atsirasti toks darinys kaip juodoji skylė, pridengtas įvykių horizonto, pasirodė dar 1916 m., praėjus vos metams po A. Einsteino reliatyvumo teorijos paskelbimo.

„Ilgą laiką buvo manoma, kad tai tik teoriniai matematiniai sprendiniai, bet laikui bėgant buvo suprasta, kad tokie dariniai realūs – prie to labai prisidėjo Rogeris Penrose‘as, pernai pelnęs Nobelio fizikos premiją. Kalbant apie bendrosios reliatyvumo teorijos prognozę, įvykių horizonto kirtimas neturėtų atrodyti kaip išskirtinis įvykis – skrendant artėjama prie kažkokio tamsaus objekto, kol galiausiai tas objektas užima lygiai pusę regėjimo lauko: pasisukę į vieną pusę matome tik tamsą, nes iš ten fotonai jau nepasiekia, o kitoje pusėje matytume likusią Visatą, iš kurios fotonai atskrenda ir pasiekia mus, nes irgi įkrenta į juodąją skylę“, – pasakoja mokslininkas.

Tačiau tokia įvykių eiga prieštarauja kvantinės fizikos dėsniui, kuris teigia, kad toks dydis, vadinamas kvantine informacija, niekur pranykti negali. „Galbūt ta informacija lieka uždaryta juodojoje skylėje, bet vėlgi – teoriniai modeliai rodo, kad juodosios skylės gali išgaruoti ir išnykti, tokiu atveju išnykti turėtų ir informacija. Vienas iš galimų paaiškinimų, kur dingsta ta informacija apie medžiagą, sukritusią į juodąją skylę, yra iškart už įvykių horizonto egzistuojanti vadinamoji ugniasienė – hipotetinis labai aukštos temperatūros regionas, kuris tiesiog viską sunaikina“, – galimus variantus komentuoja astrofizikas.

Dėl šios teorijos realumo mokslininkai taip pat nesutaria, nes ji prieštarauja jau minėtai reliatyvumo teorijos prognozei, teigiančiai, kad įvykių horizontas nėra išskirtinė vieta lokaliam stebėtojui – tam, kuris krenta į juodąją skylę. Anot doc. K. Zubovo, šis neatitikimas pastebėtas ir suformuluotas jau prieš maždaug 50 metų, bet vienareikšmio sprendimo vis dar nėra.

„Tai viena iš keleto sričių, kai kvantinės fizikos ir bendros reliatyvumo teorijos prognozės nedera viena su kita, ir tai yra labai įdomu, nes abi kol kas visus eksperimentinius patikrinimus įveikia puikiai, vadinasi, ir viena, ir kita yra labai geri realybės apibūdinimai. Vis dėlto abi vienu metu teisingos būti negali, o patikrinti praktiškai kol kas neturime galimybės, bet gal ateityje pavyks. Tai viena įdomiausių fundamentinės fizikos tyrimų sričių šiuo metu“, – pasakoja VU mokslininkas.

Juodųjų skylių kilmės hipotezės

Anot astrofiziko, šiuo metu yra žinoma, kad juodoji skylė atsiranda mirus žvaigždei, tačiau supemasyviosios juodosios skylės kilmė vis dar kelia klausimų. Žinant, kad juodoji skylė ilgainiui gali didėti, jeigu į ją įkrenta medžiaga, jeigu ji susijungia su kita juodąja skyle arba suvartoja kokią nors netyčia įkritusią žvaigždę, egzistuoja kelios pagrindinės hipotezės, paaiškinančios supermasyvių juodųjų skylių atsiradimą. Viena tokių – kad praėjus maždaug 100 mln. metų po Didžiojo sprogimo, Visatoje susiformavus ir vėliau sprogus pirmosioms žvaigždėms, žvaigždinės juodosios skylės tapo supermasyvios dėl didelio kiekio dujų Visatoje.

„Tos žvaigždės greitai nugyveno savo gyvenimą – na, per milijonus metų, bet per gerokai mažesnį laiko tarpą nei dabartinis Visatos amžius, siekiantis 14 mlrd. metų – ir tapo supernovomis. Pirmykštėje Visatoje buvo daug daugiau dujų ir jų tankis buvo didesnis nei dabartinėje, nes Visata laikui bėgant plečiasi, nebuvo ir tiek daug žvaigždžių, kurios sunaudoja dujas, todėl kai kurios juodosios skylės galėjo įkristi į tankius dujų telkinius, iš kurių, laikui bėgant, galėjo užaugti iki milijonų ar šimtų milijonų ir daugiau Saulės masių“, – apie pirmąją hipotezę pasakoja astrofizikas.

Pasak mokslininko, ši hipotezė visiškai paaiškintų Šaulio A* ir kitų aplinkinėje Visatoje stebimų juodųjų skylių atsiradimą, tačiau didelių abejonių kelia kitos egzistuojančios juodosios skylės: „Jų randama ir labai tolimose galaktikose, kurių šviesa iki mūsų keliavo 13 mlrd. metų ir daugiau, vadinasi, tas galaktikas mes matome iš tų laikų, kai Visatos amžius buvo keli šimtai milijonų metų ir supermasyvių juodųjų skylių, kurių masė kartais siekia ir daugiau nei vieną milijardą saulės masių, jau buvo. O kad tokio dydžio juodosios skylės susiformuotų per mažiau nei 600 mln. metų, yra labai sudėtinga.“

Todėl egzistuoja ir hipotezė, kad pirmykštėje Visatoje pačios pirmosios žvaigždės dėl tam tikrų aplinkybių buvo daug masyvesni dariniai, kurie siekė 100 tūkst. Saulės masių ir subyrėti į smulkesnius negalėjo, todėl tapo panašiu į žvaigždę dariniu ir per 100 tūkst. metų susitraukė bei virto juodąja skyle, siekiančia kelias dešimtis tūkst. Saulės masių. Trečioji doc. K. Zubovo paminėta hipotezė teigia, kad pirmosios žvaigždės formavosi spiečiuose, kaip ir šiuo metu, o sprogusios susijungdavo tarpusavyje.

„Tuose spiečiuose, kai daug žvaigždžių sprogsta supernovomis palikdamos juodąsias skyles, jos turėjo daugiau šansų susijungti. Iš milijono žvaigždžių spiečiuje lieka šimtai tūkstančių juodųjų skylių, kurios tarpusavyje susijungia greičiau, nei viena skylė galėtų užaugti rydama dujas aplink“, – pasakoja astrofizikas.

Juodųjų skylių išnykimas aiškinamas teorijomis

Nors niekas kol kas nėra matęs išgaruojančios juodosios skylės, teorinis šio proceso pagrindas ir modelis remiasi gerai suprantamais kvantinės fizikos ir reliatyvumo teorijos dėsniais, nusakančiais visą eigą. Kadangi, pasak doc. K. Zubovo, vakuumas nėra visiškai tuščias, vadovaujantis kvantine fizika, jame nuolatos iš niekur atsiranda tam tikrų dalelių poros ir anihiliuoja viena su kita.

„Mes jų užfiksuoti negalime, bet jos ten yra. Jeigu tos dvi dalelės atsiranda labai arti juodosios skylės įvykių horizonto ir viena jų patenka į juodąją skylę, jos nebegali anihiliuoti viena su kita. Taigi prie pat juodosios skylės turėtų nuolat atsirasti tokių dalelių, išlekiančių ir išsinešančių energiją, o įvairūs skaičiavimai rodo, kad ta energija išnešama iš juodosios skylės“, – pasakoja mokslininkas.

Pasak astrofiziko, galime įsivaizduoti, kad juodajai skylei priskiriama tam tikra temperatūra ir kaip bet koks temperatūrą turintis objektas ji turėtų spinduliuoti – kuo skylė masyvesnė, tuo jos efektyvi temperatūra mažesnė, mažesnis ir spinduliavimas. Todėl šiuo metu juodosios skylės, apie kurių egzistavimą kosmose žinome, daug daugiau masės įgyja sugerdamos pro šalį lakstančius fotonus, negu praranda dėl minėto reiškinio, vadinamo Hokingo spinduliuote.

„Tačiau laikui bėgant Visatoje energijos vis mažėja, mažėja ir jos tankis, fotonų skaičius ir vis masyvesnės juodosios skylės pradeda nykti, nes Hokingo spinduliuotė pasidaro stipresnė nei veiksniai, skatinantys juodosios skylės augimą. Iki šių dienų jau turėjo būti išgaravusios visos juodosios skylės, kurių masė didesnė nei maždaug 100 mln. tonų. Tolimoje ateityje viena po kitos turėtų išgaruoti ir žvaigždinės juodosios skylės, o dar vėliau ir supermasyvios, bet tai įvyks tikrai po gerokai ilgesnio laiko tarpo nei dabartinis Visatos amžius – kalbame apie šimtus ar tūkstančius milijardų metų“, – apie juodųjų skylių gyvavimą pasakoja astrofizikas.

Ateities planai ir pavojaus žmonijai klausimas

Pasak doc. K. Zubovo, vyraujantis mitas, kad juodoji skylė siurbia viską aplink save, yra klaidingas, nes juodoji skylė yra laisvos valios neturintis objektas ir elgiasi tik pagal fizikos dėsnius, todėl nieko specialiai nesiurbia ir pavojų kelia tik itin arti priartėjusiems objektams: „Jei Saulę pakeistume tokios pačios masės juodąja skyle, planetos visiškai taip pat skraidytų savo orbitomis, tik tiek, kad nelikus šviesos šaltinio viskas atvėstų ir suledėtų, neliktų gyvybės. Bet gravitacija nepasikeistų – juodoji skylė yra tiesiog pasyvus, labai kompaktiškas tokiai masei objektas, specifiškai neįtraukiantis aplinkinės medžiagos, jeigu ta medžiaga pati neįkrenta.“

Kad net artimiausia Žemei supermasyvi juodoji skylė Šaulio A* pavojaus žmonijai nekelia, doc. K. Zubovo teigimu, įrodo tai, jog ją nuo mūsų skiria 25 tūkst. šviesmečių, o kadangi Saulė yra Paukščių Tako galaktikos diske, didelis kiekis dujų ir dulkių apsaugotų ir nuo bet kokios spinduliuotės, kuri teoriškai galėtų būti pavojinga. Pavojaus nekelia ir žvaigždinės juodosios skylės, kurių galaktikoje labai daug.

„Skaičiuojant, kiek žvaigždžių yra susiformavusių galaktikoje ir kiek jų turėjo mirti per galaktikos istoriją, tai Paukščių Take galėtų būti apie 100 mln. žvaigždinių juodųjų skylių. Kita vertus, Paukščių Take yra apie 100 mlrd. žvaigždžių, vadinasi, vieną žvaigždinę juodąją skylę turėtume rasti tokiame erdvės tūryje, kokiame rastume tūkstantį žvaigždžių. Tad jeigu iki artimiausios Saulei žvaigždės Kentauro Proksimos yra daugiau nei 4 šviesmečiai, tai iki artimiausios juodosios skylės greičiausiai apie 40 šviesmečių, vadinasi, pavojaus, kad juodoji skylė atskris į Saulės sistemą, praktiškai nėra.“

Kad apie juodąsias skyles ir jose vykstančius procesus mokslininkai žinotų dar daugiau, artimiausioje ateityje planuojama steigti bei tobulinti kosmines ir antžemines observatorijas. Pasak doc. K. Zubovo, jos leistų aptikti ir kelių milijonų Saulės masių dydžio juodąsias skyles, suprasti jų įvairovę pirmykštėje Visatoje ir padėtų atsirinkti, kurie iš minėtų teorinių jų kilmės modelių yra teisingesni. Kitas projektas – įvykių horizonto teleskopo praplėtimas, leidęs padaryti pirmąją juodosios skylės nuotrauką, bet tam reikėjo sujungti teleskopus visos Žemės mastu.

„Kanarų salose, Havajuose, Pietų Amerikoje, kontinentinėje JAV ir net Antarktidoje esantys teleskopai, naudojantys interferometrijos fotografavimo metodą, leidžia juos sujungus gauti tokią raišką, tarsi turėtume vieną tokio dydžio teleskopą, koks yra atstumas tarp jų visų – mūsų Žemės dydžio. Ir to vos užtenka dviem supermasyvioms juodosioms skylėms nufotografuoti. Visos kitos vis dar per mažos, todėl kilo idėja prie šio teleskopo prijungti vieną ar keletą kosminių observatorijų, kurios galėtų nuskristi 10 ar 100 tūkst. kilometrų atstumu nuo Žemės, ir sujungę visus duomenis gautume tokį teleskopą, kurio efektyvus skersmuo būtų 100 tūkst. ar mln. kilometrų“, – pasakoja doc. K. Zubovas.

Pasitelkus tokį teleskopą, būtų galima nufotografuoti ir smulkesnius objektus, o kosminė observatorija, pasak astrofiziko, labai naudinga ir todėl, kad ant Žemės esantys teleskopai nejuda vienas kito atžvilgiu, todėl galimų stebėjimo krypčių kiekis – ribotas. „Kosminėje observatorijoje, kuri dar ir skraido, stebėjimus daryti galima iš daug daugiau krypčių, tai pagerintų ir nuotraukų raišką“, – ambicingus ateities planus komentuoja mokslininkas.