Juodųjų skylių masių ribos. II – didžiausios juodosios skylės

Juodosios skylės įvairiais požiūriais yra ekstremalūs objektai. Ekstremali gravitacija prie jų, ekstremalūs poveikiai aplinkai… Masė, tiesa, nėra ekstremali, lyginant, pavyzdžiui, su galaktikomis. Bet visgi skaičiai didžiuliai. Net ir mažiausios juodosios skylės yra keletą kartų masyvesnės už Saulę, kaip rašiau praeitame įraše. O kokios yra ar gali būti didžiausios?

Praeitame įraše pristačiau žvaigždinės masės juodąsias skyles, kurių masės gali siekti nuo trijų iki kelių dešimčių Saulės masių. Kitos juodosios skylės – supermasyvios – yra žymiai masyvesnės: jų masės prasideda nuo kelių šimtų tūkstančių Saulės masių. Tarp šimto ir kelių šimtų tūkstančių Saulės masių egzistuoja tuštuma – tokias mases turinčių juodųjų skylių egzistavimas tvirtai nėra įrodytas. Supermasyvios juodosios skylės aptinkamos daugumos galaktikų centruose; jų neturi tik nykštukinės galaktikos, kurių pačių masės (įskaitant žvaigždes, dujas ir tamsiąją materiją) nesiekia dešimties milijardų Saulės masių.

Paprastai supermasyvios juodosios skylės masė siekia apie pusę procento galaktikos sferoido masės. „Sferoidas“, kaip galima įtarti iš pavadinimo, yra daugmaž sferinė ar elipsoidinė galaktikos dalis. Spiralinėse galaktikose tai – centrinis telkinys, o elipsinėse – visa galaktika. Taigi, jei galaktikos sferoido masė siekia, pavyzdžiui, 10 milijardų Saulės masių, tai centre galime tikėtis rasti juodąją skylę, kurios masė yra apie 50 milijonų Saulės masių. Panaši situacija yra kaimyninėje Andromedos galaktikoje: jos centrinio telkinio masė yra apie 25 milijardus Saulės masių, o centrinės juodosios skylės masė – 140 milijonų Saulės masių, tik truputį daugiau, nei pusė procento. Kitose galaktikose būna ir nukrypimų nuo šios taisyklės: pavyzdžiui mūsų Paukščių Tako centrinis telkinys yra panašus į Andromedos, tuo tarpu centrinės juodosios skylės masė tesiekia tik 4,3 milijono Saulės masių. Kokios priežastys nulėmė tokį didžiulį skirtumą – nežinia.

Supermasyvių juodųjų skylių ir jų galaktikų sferoidų (centrinių telkinių) masių sąryšis. Punktyrinė linija rodo vidurkį – juodosios skylės masė lygi maždaug pusei procento centrinio telkinio masės. © McConnell & Ma (2013)

Supermasyvių juodųjų skylių masės nustatomos panašiai, kaip ir žvaigždinių – iš poveikio aplinkai. Juodosios skylės gravitacija valdo aplinkinių žvaigždžių ir dujų judėjimą (bet tik artimoje aplinkoje, ne visoje galaktikoje), taigi žinodami žvaigždžių ar dujų judėjimo greičius ir atstumus nuo centro, galime nustatyti ir jas traukiančio objekto masę. Šitaip išmatuotos kelios dešimtys supermasyvių juodųjų skylių masių. Masyviausios aptiktos juodosios skylės turi daugiau nei 10 milijardų Saulės masių. Štai prieš keletą metų galaktikoje NGC 1277 aptikta juodoji skylė, kurios masė siekia net 17 milijardų Saulės masių; dar įdomiau yra tai, kad ši masė sudaro daugiau nei pusę NGC 1277 centrinio telkinio masės. Nors vėlesnė stebėjimų duomenų analizė privertė suabejoti, ar juodoji skylė ten tikrai tokia didelė, bet ir mažesnė apskaičiuota masė yra milžiniška – 2-5 milijardai Saulės masių, arba apie 5% centrinio telkinio masės (centrinio telkinio masė naujoje analizėje taip pat pasikeitė – padidėjo). Dar seniau vienos aktyvios galaktikos centrinės juodosios skylės masė įvertinta kaip 40 milijardų Saulės masių. O pernai aptikta aktyvi galaktika, kurios atvaizdą matome iš tų laikų, kai Visatos amžius nesiekė net 900 milijonų metų (palyginimui dabartinis amžius yra apie 13,7 milijardo metų), bet jos centre yra 12 milijardų Saulės masių juodoji skylė.

Nors tiksliai nustatytos yra toli gražu ne visų galaktikų centrinių juodųjų skylių masės, turimi duomenys leidžia daryti išvadą, kad masyviausios juodosios skylės ir dabar, ir Visatos apyaušryje, buvo labai panašios masės. Tai gali pasirodyti keista: supermasyvios juodosios skylės gali tik augti, sumažėti joms nėra kaip, bet kažkodėl jų augimas, pasiekus keliolika milijardų Saulės masių, sustoja ar bent labai sulėtėja. Kokios gali būti to priežastys? Kaip tik šių metų pradžioje pasirodė net du straipsniai, nagrinėjantys šį klausimą.

Abu paaiškinimai susiję su tuo, kad juodųjų skylių kažkuriuo metu tampa nebeįmanoma maitinti efektyviai. Kad juodoji skylė augtų, jos link turi kristi dujos (gali kristi ir žvaigždės, bet tai – retesnis procesas). Efektyviausiai į juodąją skylę jos patenka susisukusios į akrecinį diską, ploną ir santykinai tankią struktūrą, apjuosiančią centrinį objektą. Bet diske esančias dujas veikia ne tik juodosios skylės, tačiau ir pačių dujų gravitacija. Taigi jei dujų diske susikaupia pernelyg daug, jis ima fragmentuoti ir formuoti žvaigždes. Diske susiformavusios žvaigždės į juodąją skylę įkristi turi daug mažiau šansų, nei dujos, nes dujas veikia tarpusavio trintis, o žvaigždžių – ne. Taigi ta juodosios skylės link krentančių dujų dalis, kuri virsta žvaigždėmis, juodosios skylės nebemaitina.

Kaip nustatyti, kokia dalis dujų visgi gali maitinti juodąją skylę? Čia tų dviejų straipsnių idėjos šiek tiek išsiskiria. Pirmajame nagrinėjamas akrecinio disko stabilumas ir apskritai egzistavimo galimybė. Mat akrecinio disko dujų gravitacija yra tuo svarbesnė, kuo toliau nutolstame nuo juodosios skylės. Ten juodosios skylės gravitacinis laukas susilpnėja, o diskas tampa storesnis, taigi medžiagos jame prisikaupia daugiau. Egzistuoja tam tikras kritinis atstumas nuo juodosios skylės, ties kuriuo akrecinis diskas ima fragmentuoti. Šis atstumas šiek tiek priklauso nuo įvairių parametrų, bet tos priklausomybės nestiprios, o vidutinė vertė yra maždaug 0,01 parseko. Iš kitos pusės, akrecinio disko vidinis pakraštys negali priartėti pernelyg arti juodosios skylės įvykių horizonto, mat ten egzistuoja regionas, kuriame dujos stabiliai suktis negali ir į jį patekusios iškart įkrenta į juodąją skylę. Šio regiono spindulys yra keletą kartų didesnis už įvykių horizonto spindulį ir yra proporcingas juodosios skylės masei. Regionas, kuriame akrecinis diskas yra stabilus ir gali maitinti juodąją skylę, egzistuoja tarp šių dviejų spindulių. Kol juodoji skylė maža, aplink ją esančio akrecinio disko spindulys yra gerokai mažesnis, nei 0,01 parseko, taigi juodoji skylė gali būti efektyviai maitinama. Bet kuo masyvesnė ji auga, tuo siauresnis lieka stabilaus disko regionas. Galiausiai, kai juodosios skylės masė išauga per daug, paprasčiausiai nebelieka erdvės, kurioje akrecinis diskas galėtų išlikti stabilus. Tiksli masė, kurią pasiekus pranyksta stabilaus akrecinio disko egzistavimo galimybė, priklauso nuo to, kaip sparčiai juodoji skylė sukasi aplink savo ašį, tačiau siekia 20-50 milijardų Saulės masių. Skaičiai, kaip matome, labai panašūs į stebimas didžiausias juodųjų skylių mases.

Kitame straipsnyje nagrinėjami didesni masteliai, siekiantys net ir šimtą parsekų. Daugelio galaktikų centruose randamos tokio dydžio struktūros, vadinamos branduoliniais dujų žiedais (nuclear gas rings). Žieduose formuojasi žvaigždės, o dalis dujų gali numigruoti ir arčiau juodosios skylės, kur suformuoja akrecinį diską. Bet tam, kad juodoji skylė galėtų užaugti iki didelės masės, dujos į akrecinį diską turi būti paduodamos pakankamai sparčiai. Pavyzdžiui, norint pasiekti 12 milijardų Saulės masių per 900 milijonų metų, vidutiniškai juodąjai skylei reikia sumaitinti daugiau nei 13 Saulės masių per metus. Turint omeny, kad pirmosios juodosios skylės turbūt atsirado ne iškart po Didžiojo sprogimo, be to, kuo mažesnė juodoji skylė, tuo sunkiau ją maitinti, augimo sparta kartais turėtų siekti šimtus ar net tūkstančius Saulės masių per metus. O to padaryti, pasirodo, neįmanoma. Jei galaktikos centro link krenta tūkstančiai Saulės masių per metus dujų, branduoliniame žiede prasideda žvaigždėdaros žybsnis. Dujos arba virsta žvaigždėmis, arba yra išpučiamos atgal, o juodosios skylės link nuvarva tik ne daugiau nei keletas Saulės masių per metus. Taip maitinamos juodosios skylės negali užaugti daugiau nei iki maždaug 100 milijardų Saulės masių nuo Didžiojo sprogimo iki dabar. Skaičius vėlgi panašus į stebimas didžiausias mases. Bet tai dar ne viskas: tam, kad aplink juodąją skylę susidarytų akrecinis diskas, aplink ją turi būti pakankamai medžiagos. Jei medžiagos yra per mažai, ji neatvėsta ir nesusiploja į diską, o išsilaiko pasiskirsčiusi beveik sferiškai, tarsi kokia atmosfera. Reikalingas medžiagos kiekis išreiškiamas maitinimo sparta ir yra proporcingas juodosios skylės masei. Per vienerius metus prie juodosios skylės turi privarvėti bent $$2\times10^{-10}$$ jos masės dalis, kitaip akrecinio disko nebus. Keletą Saulės masių per metus padalinę iš $$2\times10^{-10}$$ randame, kad kai juodosios skylės masė viršija maždaug $$10^{10}$$, tai yra dešimt milijardų, Saulės masių, akrecinis diskas nebesiformuoja. O plačiai pasklidusi medžiaga į juodąją skylę krenta gerokai prasčiau, nei medžiaga iš disko; pavyzdžiui, mūsų Galaktikos centrinė juodoji skylė suvalgo tik apie 1% į ją krentančios medžiagos, o likusią dalį išpučia. Taigi juodosios skylės ne tik negauna pakankamai maisto, kad galėtų užaugti masyvesnės nei ~100 milijardų Saulės masių, bet ir tą patį maistą nustoja efektyviai valgyti, kai jų masė viršija kelias dešimtis milijardų Saulės masių.

Supermasyvių juodųjų skylių masių funkcija, įvertinimai surinkti iš įvairių autorių darbų. Nors rezultatai skirtingi, viena aišku – masyvesnių už dešimt milijardų Saulės masių (t. y. $${\rm log} M > 10$$ juodųjų skylių yra labai nedaug. Grafikas iš Shankar (2009)

Apibendrinant tai, ką čia parašiau, verta atkreipti dėmesį, kad teoriniai modeliai prognozuoja, jog masyviausios juodosios skylės nebus daug masyvesnės, nei šiuo metu žinomos. Dabar žinome 20-40 milijardų Saulės masių juodųjų skylių. Galbūt kur nors rasime ir šimtą milijardų Saulės masių turinčią, bet tokio objekto egzistavimo tikimybė – nedidelė.

Laiqualasse

2 comments

  1. kas galetu man pasakyti–Kokia Visatos prasme ?
    negi jokie mokslininkai dar nesuzinojo,kodel visata pleciasi ir vis greiciau ?
    juk tam yra paprastas paaiskinimas

    1. Na, hipotezių, kas sukelia greitėjantį plėtimąsi, yra keletas – įvairūs „tamsiosios energijos“ variantai. Apskritai kodėl plečiasi – dėl Didžiojo sprogimo. Kas davė pradžią tam plėtimuisi – kol kas nežinia, bet vėlgi, yra idėjų (big bounce, branų kosmologija ir pan.).

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *