Astro-nevisai-naujiena. Kaip sukasi juodosios skylės

Ketvirtadienį prestižiniame žurnale „Nature“ paskelbtas straipsnis, kurio autoriai teigia išmatavę juodosios skylės sukimosi greitį ir radę jį esant labai didelį, „artimą šviesos greičiui“. Žinią pasigavo visi įmanomi naujienų portalai, tame tarpe ir lietuviškieji Delfis bei technologijos.lt. Technologijose pakomentavau, kad šis atradimas nėra toks jau sensacingas, kaip bandoma pateikti, ir pažadėjau paaiškinti plačiau. Taigi aiškinu.

Kas yra sukimosi greitis ir kaip jį išmatuoti?

Pradėsiu nuo to, kad bandomas išmatuoti parametras – juodosios skylės sukimosi greitis – yra reikšmingas dalykas. Juodosioms skylėms aprašyti reikalingi tik trys parametrai: masė, judesio kiekio momentas ir elektros krūvis. Astronominėms juodosioms skylėms elektros krūvis nereikšmingas (teigiamai įkrauta juodoji skylė labiau trauktų neigiamas daleles, taigi jos krūvis visada svyruos apie nulį), taigi lieka du parametrai. Juodųjų skylių mases įvairiais metodais matuojame jau porą dešimtmečių. Tačiau judesio kiekio momentą (ir su juo susijusį, nors ne taip griežtai apibrėžiamą, sukimosi greitį) išmatuoti yra sunkiau, nes jo poveikis aplinkai ne toks akivaizdus.

Vienas iš pagrindinių judesio kiekio momento dydžio požymių – atstumas iki juodosios skylės, kuriuo esanti medžiaga gali judėti stabiliomis apskritiminėmis orbitomis. Aplink nesisukančią juodąją skylę medžiaga stabiliai skrieti gali ne arčiau, nei trys Švarcšildo spinduliai (6GM/c^2); priartėjusi arčiau ji yra įtraukiama pro įvykių horizontą arba išlekia lauk, bet ilgai užsibūti neturi galimybės. Jei juodoji skylė sukasi, sukimuisi lygiagrečia kryptimi judanti medžiaga gali stabiliai suktis ir arčiau; esant maksimaliam sukimosi greičiui, artimiausia juodajai skylei stabili orbita sutampa su įvykių horizontu (kuris, beje, susitraukia, lyginant su nesisukančia juodąja skyle).

Kokia ta maksimali sukimosi vertė? Tam tikra prasme ji atitinka atvejį, kai įvykių horizonto paviršius ties juodosios skylės „pusiauju“ juda šviesos greičiu. Išreiškus fizikiniais terminais, maksimalus juodosios skylės judesio kiekio momentas lygus GM^2/c, kur G yra gravitacinė konstanta, M – juodosios skylės masė, o c – šviesos greitis. Šią išraišką padauginę iš parametro a, kurio vertės yra tarp nulio ir vieneto, gauname bet kokią įmanomą judesio kiekio momento vertę. „a“ yra vadinamas juodosios skylės sukinio parametru (angl. spin parameter); tiesa, kartais a apibrėžiamas kitaip ir jo vertė gali kisti nuo nulio iki M, bet čia naudosiu pirmąjį apibrėžimą.

Juodosios skylės link krentančios dujos praranda energiją (tampa vis labiau gravitaciškai pririštos) ir kaista. Kuo arčiau juodosios skylės jos yra, tuo aukštesnė temperatūra. Objekto skleidžiamų elektromagnetinių bangų spektras priklauso nuo temperatūros, taigi išmatavę spektrą galime nustatyti ir kaip arti juodosios skylės priartėja dujos (kirtusios paskutinę stabilią apskritiminę orbitą, dujos į juodąją skylę įkrenta taip greitai, kad jų spinduliuotė praktiškai neaptinkama). Be to, išspinduliuoti fotonai, lėkdami iš juodosios skylės gravitacinio lauko, išsitempia dėl gravitacinio raudonojo poslinkio; šį efektą irgi galima panaudoti spinduliuojančių dujų padėties nustatymui.

Kas išmatuota ir kas atrasta?

Kol kas viskas labai gražu ir aišku. Tačiau realybė, kaip visada, yra sudėtingesnė. Matavimams pasirinkta vadinama geležies K-alfa spektrinė linija, esanti rentgeno spindulių ruože; ji susidaro, kai akrecinio disko spinduliuotę sugeria dujos sferiniame vainike aplink juodąją skylę. Dėl šiluminio dujų judėjimo linija išplinta ir vietoje energetiškai siauro 6,4 kiloelektronvoltų signalo gauname platų „pakilimą“ spektre (žr. iliustraciją).

Geležies K-alfa linija dviejuose objektuose. „Linija“ yra išplitusi į pakilimą tarp 6 ir 7 keV energijos verčių. © Hellier, Mukai & Osborne 1998
Geležies K-alfa linija dviejuose objektuose. „Linija“ yra išplitusi į pakilimą tarp 6 ir 7 keV energijos verčių. © Hellier, Mukai & Osborne 1998

Linijos išplitimas priklauso nuo temperatūros, taigi žinodami išplitimą, randame ir temperatūrą; tada apskaičiuojame dujų nuotolį nuo juodosios skylės, palyginame su Švarcšildo spinduliu tokios masės kūnui ir randame paskutinės stabilios apskritiminės orbitos spindulį; o tada rasti judesio kiekio momentą – vieni juokai. Mokslininkai tą ir padarė, ir nustatė, kad sukinio parametras a > 0,85 su dviejų sigmų patikimumu (t.y. 95% tikimybe).

Kas čia blogai?

Problemos prasideda jau pirmajame tyrimo proceso žingsnyje. Norėdami išmatuoti spektrinės linijos išplitimą, turime žinoti, kur ji prasideda ir kur baigiasi. Pažiūrėję į iliustraciją matome, kad tai tikrai nėra akivaizdu. Reikia padaryti kažkokių prielaidų apie platųjį spektrą, esantį „po“ linija. Pagrindinė prielaida – to spektro nuolydis, kuris skirtinguose objektuose yra skirtingas ir negalime būti tikri, ar tyrimo autorių pasirinkta nuolydžio vertė yra teisinga.

Dar viena problema su linijos išplitimu – prielaida, jog išplitimas atsiranda tik dėl dujų temperatūros. Sukimasis diske aplink juodąją skylę taip pat sukelia išplitimą, kuris yra ne visai toks pat, kaip temperatūrinis. Neįvertinus šio efekto gauta greičio (ir temperatūros) vertė nuo tikrosios gali skirtis maždaug du kartus.

Beje, neteigiu, kad autoriai į šias problemas tikrai neatsižvelgė. Ir modelis, kurį jums pristačiau, yra gerokai supaprastintas variantas to, kas iš tikro buvo nagrinėta (įvertinama ne tik ta viena spektrinė linija, bet ir įvairūs didesnės energijos spinduliuotės procesai). Tik noriu parodyti, jog panašiuose tyrimuose paklaidų šaltinių yra įvairių, taigi rezultatai niekada nėra labai tikslūs.

Tai kur problema?

Nepaisant to, kad skaičiavimo paklaidos yra didelės, o rezultatai smarkiai priklauso nuo pasirinkto spinduliuotės spektro modelio, tyrimas nėra blogas. Tačiau tai toli gražu nėra pirmasis bandymas nustatyti juodosios skylės judesio kiekio momentą, ir nėra žymiai tikslesnis už ankstesniuosius. Ankstesni tyrimai taip pat dažniausiai rėmėsi geležies K-alfa linijos forma, nors buvo bandymų panaudoti interferometriją ir nustatyti akrecinio srauto geometriją. Rezultatai visais atvejais gaunami, bet jų paklaidos apima visą galimų sukinio parametro verčių ruožą, o jei neapima, tai tik todėl, kad pasirinktas „tinkamas“ modelis.

Viena iš priežasčių, kodėl šis rezultatas paskelbtas plačiai žiniasklaidoje, yra jo naujumas technine prasme. Tai yra vienas iš pirmųjų mokslinių rezultatų, gautų naudojant teleskopą NuSTAR, paleistą į orbitą pernai birželį. NuSTAR yra rentgeno spindulių teleskopas, jautrus spinduliuotei iki 80 keV, gerokai energingesnei nei ankstesni prietaisai (Chandra, XMM-Newton ir Suzaku, kurie buvo jautrūs tik iki 10-20 keV). Šiuo požiūriu rezultatai yra įdomūs ir reikšmingi, bet jie neapverčia mūsų supratimo apie juodąsias skyles.

Dar vienas man nepatinkantis dalykas – „toli siekiantys“ specialistų komentarai apie rezultato reikšmę. Nustatyta juodosios skylės sukinio parametro vertė yra didelė. Žinomi kitų juodųjų skylių sukinio parametrai taip pat nemaži (formaliai, berods, visi didesni nei 0,5). Bet ar tai tikrai leidžia teigti, jog „visos juodosios skylės sukasi beveik šviesos greičiu“? Tikrai ne. Mat juodosios skylės, kurios sukasi sparčiau, efektyviau paverčia krentančių dujų energiją spinduliuote, taigi šviečia ryškiau. Vadinasi, tokias sistemas aptikti žymiai lengviau. Todėl tai, kad kol kas neaptikome lėtai besisukančių juodųjų skylių, dar toli gražu neįrodo, kad jų ir nėra. Tik ateitis ir tolesni tyrimai parodys, kaip yra iš tiesų.

Štai toks mano komentarams naujajam atradimui. Apibendrinant – labai gerai, kad tokie tyrimai daromi, puiku, kad jiems panaudota naujo teleskopo medžiaga, tačiau reikia atsargiai vertinti jų reikšmę.

Laiqualasse

3 komentarai

  1. Miela malonu skaityti, kai reiškinį aprašo išmanantis žmogus :)

    P.S.
    pilnai aprašo
    ->
    visiškai aprašo

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas.