Naujienų archyvas

Juodosios skylės: nuo idėjos iki nuotraukos

2022 02 18

2022 m. vasario 10 d. Lietuvos mokslų akademijos (LMA) skyrius „Mokslininkų rūmai“ į „Mokslo žinių dieną“ sukvietė per 200 astronomija besidominčių gimnazistų bei suaugusiųjų iš įvairių respublikos miestų ir rajonų. Nuotolinę paskaitą „Juodosios skylės: nuo idėjos iki nuotraukos“ (iš ciklo „Astronomijos paskaitos“) skaitė Vilniaus universiteto Teorinės fizikos ir astronomijos instituto (VU TFAI) vyresnysis mokslo darbuotojas dr. Artūras Acus.

Paskaitą mokslininkas pradėjo apžvelgdamas juodųjų skylių tyrinėjimo istoriją nuo Džono Mičelo (John Michell, 1724–1793) pastebėjimo 1783 metais, kad jei žvaigždės masė būtų didelė, tai „visa [žvaigždės] šviesa… turėtų grįžti atgal, veikiama savo pačios traukos“, ir Pjero Simono Laplaso (Pierre-Simon Laplace, 1749–1827), 1796 m. tokias žvaigždes  pavadinusio „Corps Obscurs“ – paslėptais kūnais.

Šiuolaikinės teorijos pradininku, pasak lektoriaus, laikomas Kaune gimęs Hermanas Minkovskis (Herman Minkowski, 1864–1909), kuris teigė, kad erdvė ir laikas yra susiję. Šis požiūris specialiajai Einšteino reliatyvumo teorijai suteikė geometrinį turinį, be kurio nebūtų buvę įmanoma sukurti bendrosios reliatyvumo teorijos (BRT). Glaustai ir tiksliai BRT esmę atskleidė Džonas Vyleris (John Wheeler, 1911–2008): „Erdvėlaikis medžiagai pasako, kaip jai judėti; o medžiaga erdvėlaikiui – kaip jam išlinkti“. BRT lygtys buvo užrašytos, tik nebuvo aišku, kaip jas išspręsti. Karlas Švarcšildas (Karl Scwarzschild, 1873–1916) rado pirmą tikslų sprendinį, kuris buvo singuliarus ir aprašė nesisukančios juodosios skylės modelį.

Dar Frydricho Vilhelmo Beselio (Friedrich Wilhelm Bessel, 1784–1846) pastebėto Sirijaus „krypavimo“ priežastis, kaip klausytojams paaiškino dr. A. Acus, yra Sirijaus palydovas – baltoji nykštukė Sirijus B, kurio paviršiaus temperatūra – 25 000 K (2,5 karto didesnė už Sirijaus A). Žvaigždė vos didesnė už Žemę, o jos tankis 25 000 kartų didesnis už Saulės tankį. Toliau trauktis žvaigždei „neleidžia“ Paulio draudimo principas, teigiantis, kad dvi dalelės (fermionai) su tais pačiais kvantiniais skaičiais negali užimti tos pačios būsenos. Taip atsiranda stūma. Tačiau didesnėms nei 1,4 Saulės masės žvaigždėms Paulio draudimo nepakanka. Už šį atradimą – didžiausios galimos baltosios nykštukės masės apskaičiavimą – indų fizikas  Subramanjanas Čandrasekaras (Subrahmanyan Chandrasekhar, 1910–1995) 1983 metais pelnė Nobelio premiją.

Praėjus vos metams po neutronų atradimo, 1933 metais Fricas Cvikis (Fritz Zwitcky, 1898–1974) iškėlė hipotezę, kad, kai žvaigždės branduolys virsta geležiniu ir spinduliavimas jau negali pasipriešinti gravitacinei traukai, žvaigždė per mažiau nei sekundę iš maždaug Mėnulio dydžio kolapsuoja į 20 km skersmens kūną. Elektronai įspaudžiami į protonus, todėl žvaigždę sudaro vieni neutronai, temperatūra pakyla iki 600 000 K. Tokios neutroninės žvaigždės atrastos 1967 m., jų susidarymo procesas žinomas kaip supernovos sprogimas.  

1960 m. Polomaro teleskopu buvo atrastas pirmasis kvazaras (kvazi reiškia, „tarsi žvaigždė“, „panaši į žvaigždę“) – labai tolimas, nepaprastai greitai tolstantis objektas, kurio šviesis smarkiai ir sparčiai keitėsi. Manoma, kad kvazarai spinduliuoja dėl į besisukančią juodąją skylę krintančios medžiagos. Procesas yra sudėtingas ir dar ne iki galo aiškus.

1963 m. Rojus Patrikas Keras (Roy Patrick Kerr, g. 1934 m.) pateikė pirmą besisukančios juodosios skylės modelį (Kerr juodoji skylė). Tikslus BRT sprendinys gautas laikantis prielaidos, kad visa masė yra sutelkta singuliarume. Vietoj vieno įvykių horizonto yra du (fiktyvūs) paviršiai: negrįžimo membrana ir begalinio raudonojo poslinkio paviršius (frozen star), jie abu susiliečia ašigaliuose.

 

Stebėjimai patvirtina juodųjų skylių egzistavimą. Sutariama, kad egzistuoja tokie juodųjų skylių tipai:

1) Supermasyvios (masė – keli milijonai ar net milijardai Saulės masių): kvazarai, skylės galaktikų centre. Pavyzdžiui, Paukščių Tako galaktikos centre esančios juodosios skylės masė – 4 300 000 Saulės masių (SM).
2) Žvaigždžių dydžio juodosios skylės. Aptiktos binarinėse sistemose, būna bent trijų tipų.
Likę trys tipai (3–5) – hipotetinės juodosios skylės (jų egzistavimas dar neįrodytas):
3) Vidutinės masės. Kandidatai yra ypač šviesūs rentgeno šaltiniai (ULXs: Ultraluminous X-Ray Sources), apie 100 SM. Statusas: labai tikėtina.
4) Skylės kamuolinių žvaigždžių spiečiuose (masė, pvz., M15 spiečiuje, turėtų būti apie 4000 SM). Statusas: tikėtina.
5) Mikroskopinės, arba mini, juodosios skylės, Statusas: mažai tikėtina.

Tiriant galaktikų tipo juodąsias skyles Europos Pietų pusrutulio observatorijoje (The European Southern Observatory) labai dideliu teleskopu interferometru buvo gauta geriausia Paukščių Tako centrinės dalies nuotrauka. Pagal ją nustatyta galaktikos centre esančios supermasyvios juodosios skylės masė – 4 300 000 SM. Juodosios skylės kampinis atstumas – 53 μas (lanko mikrosekundės, 1 μas yra 1/(360 000 000) laipsnio dalis).

Viena garsiausių ir brangiausių yra juodosios skylės M87 (numeris Meisnerio kataloge) 2017 m. daryta nuotrauka: dirbo 200 astronomų iš 60 šalių, projekto kaina siekė 290 mln. dolerių. Ši juodoji skylė, esanti už 55 mln. šviesmečių, vienu metu matoma ir iš Šiaurės, ir iš Pietų pusrutulių (tai svarbu interferencijai). M87 masė – 6,5*10^9 SM (1500 kartų sunkesnė nei „mūsiškė“ juodoji skylė), spindulys – 4 kartus didesnis už Neptūno orbitos spindulį, kampinis atstumas – 42 ± 3 μas.

 

Fizikos požiūriu, juodąją skylę charakterizuoja tik trys dydžiai: 1) masė, 2) judėjimo kiekio momentas ir 3) elektrinis krūvis (paprastai matematiniuose modeliuose laikoma, kad jis lygus nuliui ar artimas jam, nes manoma, jog įkrentanti medžiaga turėtų būti neutrali).

Juodųjų skylių paradoksai:

1) Ar tikrai juodosios skylės horizontas yra aiški sąvoka? Pasirodo, kad ne, nes Stiveno Hokingo (Stephen Hawking) įvykių horizonto apibrėžimas – 4 dimensijų (erdvės ir laiko) paviršius – yra vienodas visiems stebėtojams, tačiau… reikalauja žinoti ateitį (yra teleologinis), mat bet kuriuo momentu juodoji skylė gali išsiplėsti.

 

2) Pasisukiojus prie juodosios skylės galima sugrįžti laiku, nes stipriame gravitaciniame lauke ir skriejant dideliu greičiu laikas eina lėčiau. (Problema: reikia greito laivo ir nelabai toli esančios juodosios skylės).

3) Informacijos praradimo paradoksas. Kvantinė mechanika teigia, kad informacija niekada nėra prarandama: sudeginus dokumentą jį galima „ištraukti“ iš dūmų formos. Vienos nuomonės šiuo klausimu mokslininkai neturi, nes nėra (ir negali būti) kvantinės gravitacijos teorijos.

Paskaitą dr. A. Acus baigė „karšta naujiena“, kad atrasta pirmoji „nesąveikaujanti“ juodoji skylė (t. y. esanti ne binarinėje sistemoje), ir paragino klausytojus daugiau apie juodąsias skyles pasidomėti patiems (nurodė galimus šaltinius).

Visą paskaitą su skaidrėmis žiūrėkite čia

Parengė VU TFAI vyresnysis mokslo darbuotojas dr. Artūras Acus ir LMA skyriaus „Mokslininkų rūmai“ vyr. specialistė Diana Lekevičienė