Astronaujiena. M87* nuotrauka

Prieš kelias valandas net šešiuose pasaulio miestuose įvyko spaudos konferencijos, kurių metu pristatyta pirmoji juodosios skylės šešėlio nuotrauka. Juodoji skylė yra galaktikoje M87, kurią nuo mūsų skiria 15 megaparsekų. Pagal ne visai visuotinę konvenciją, centrinė galaktikos juodoji skylė žymima žvaigždute, tad objektą trumpai galime pažymėti M87*. Nuotraukoje matome centrinį apvalų tamsų diską – juodosios skylės įvykių horizonto šešėlį, – ir jį supantį dujų diską, kurio viena dalis, judanti mūsų link, dėl reliatyvistinių efektų yra daug ryškesnė už kitas. Žemiau truputį detaliau paaiškinu, kas čia atrasta ir kuo tai svarbu/įdomu.

Juodosios skylės šešėlio nuotrauka. Šaltinis: Event Horizon Telescope

Kas yra juodoji skylė? Enciklopedinis apibrėžimas yra toks: juodoji skylė – tai objektas (arba erdvės regionas) iš kurio neįmanoma ištrūkti. Greitis, reikalingas norint pabėgti iš kokio nors objekto gravitacinio lauko, priklauso nuo objekto masės ir nuo pradinio atstumo. Taigi pabėgti nuo objekto (pavyzdžiui, planetos ar žvaigždės) paviršiaus yra tuo sunkiau, kuo objektas masyvesnis ir kompaktiškesnis. Jei objektas tampa toks masyvus arba kompaktiškas, kad pabėgimo greitis viršija šviesos greitį, gauname juodąją skylę. Riba, iš už kurios pabėgti nebeįmanoma, vadinama įvykių horizontu; mes nežinome, kas dedasi anapus jo, o dviejų pagrindinių fizikinių teorijų – reliatyvumo teorijos ir kvantinės fizikos – duodamos prognozės reikšmingai skiriasi.

Kaip galime ją pamatyti? Jei niekas iš juodosios skylės ištrūkti negali, tai kaip galime ją pamatyti? Čia svarbu suprasti, ką iš tikro matome nuotraukoje. Tamsus apskritimas centre yra juodosios skylės šešėlis, ribojamas šviesių dujų, gaubiančių skylę ir į ją krentančių. Taigi juodosios skylės egzistavimą įrodo ir jos dydį nustatyti leidžia tai, ko nematome – šviesa, kuri išspinduliuojama už juodosios skylės, tačiau mūsų nepasiekia, nes prapuola už įvykių horizonto.

Kaip padaryta nuotrauka? M87* dydis dangaus skliaute yra maždaug toks, kaip stalo teniso kamuoliuko Mėnulio paviršiuje, žiūrint iš Žemės (formaliai – apie 20 kampinių mikrosekundžių). Norėdami įžiūrėti tokį mažą objektą, turėtume turėti teleskopą, kurio skersmuo prilygtų Žemės skersmeniui. Savaime suprantama, pastatyti tokio teleskopo kol kas žmonija negali, bet tai išradingų mokslininkų nesustabdo. Kelis teleskopus galima sujungti į vieną prietaisą, vadinamą interferometru. Tuomet du teleskopai matuoja ateinančios šviesos intensyvumą ir fazę (t. y. kuria kryptimi nukreipti elektrinio ir magnetinio lauko vektoriai, bangai pasiekiant teleskopą), o šie duomenys gali būti apjungti ir taip gaunamas daug tikslesnis šaltinio vaizdas. Tiek tikslesnis, tarsi turėtume vieną teleskopą, kurio skersmuo prilygtų atstumui tarp interferometrą sudarančių teleskopų. Būtent tokia yra Event Horizon Telescope (EHT, lietuviškai Įvykių horizonto teleskopo) idėja – apjungti keliolika teleskopų į vieną tinklą ir taip pasiekti pakankamą raišką juodajai skylei išskirti.

Ar tai tikrai įvykių horizontas? Tai, kas matoma nuotraukoje, yra šiek tiek išskydęs vaizdas. Teoriškai įvykių horizonto riba turėtų būti labai aiški ir lygi. Netolygumai atsiranda dėl dviejų priežasčių: baigtinės instrumento raiškos ir tarpžvaigždinės medžiagos poveikio. Fotonai, sklindantys nuo juodosios skylės, yra išsklaidomi tarpžvaigždinių dujų ir dulkių, todėl mus pasiekia šiek tiek išskydęs vaizdas. Baigtinė instrumento raiška taip pat nulemia, kad fotonų atsklidimo kryptis nėra nustatoma idealiai. Skaičiuojama, kad abu šie efektai įvykių horizonto ribą turėtų išplėsti iki maždaug dešimties kampinių mikrosekundžių; būtent toks išplitimas ir matomas nuotraukoje. Taigi gauti duomenys atitinka tikėtiną juodosios skylės atvaizdą.

Kodėl ne Šaulio A*? Įvykių horizonto teleskopas turėjo du pagrindinius taikinius – M87* ir Šaulio A*. Gauti abiejų juodųjų skylių stebėjimų duomenys, tačiau sudėlioti iš jų tokį atvaizdą kol kas pavyko tik M87*. Priežastis labai paprasta: Šaulio A* aplinka keičiasi per greitai. M87* yra pusantro tūkstančio kartų didesnė už mūsų Galaktikos juodąją skylę, tad bet kokie pokyčiai prie jos vyksta pusantro tūkstančio kartų lėčiau. Taigi per keletą parų trukusius stebėjimus M87* aplinka nelabai pasikeitė, tuo tarpu Šaulio A* aplinka reikšmingai keičiasi greičiau nei per valandą. Visa tai nereiškia, kad Šaulio A* nuotraukos mes neišvysime, tiesiog jos reikės šiek tiek palaukti. Tiesa, per pastarąjį pusmetį paskelbti keli atradimai apie Šaulio A* aplinką, kurie nedaug atsilieka nuo įvykių horizonto nuotraukos.

Kas toliau? Pirmoji nuotrauka – puikus pasiekimas, bet tik pirmas žingsnis ilgame tyrimų kelyje. Ateityje nuotraukų bus ir daugiau; dabar, kai jau žinoma, kaip jas padaryti, bus lengviau fotografuoti ir kitas juodąsias skyles – Paukščių Take, Andromedoje, kitose aplinkinėse galaktikose. Taip pat gerės nuotraukų kokybė, o darydami daug vieno objekto nuotraukų, galėsime stebėti aplink jį vykstančius pokyčius. Tai leis tiksliai nustatyti juodosios skylės ir aplinkinių dujų savybes, pavyzdžiui skylės sukimosi greitį, dujų tankį ir t. t. Detalesni skaitmeniniai modeliai tam irgi pasitarnaus, nes jais galėsime idealiai tiksliai atkurti stebimus vaizdus. Kaip ir kiekvienas panašaus masto atradimas, taip ir šis atveria naują langą, pro kurį galime žvelgti į Visatos įdomybes.

Plačiau apie atradimus galite perskaityti Astrophysical Journal publikuojamuose moksliniuose straipsniuose, taip pat įvairiuose populiariuose straipsniuose, pavyzdžiui Phys.org.

Laiqualasse

12 comments

  1. Sakinys „o dviejų pagrindinių fizikinių teorijų – reliatyvumo teorijos ir kvantinės fizikos – duodamos prognozės reikšmingai skiriasi.“ mane nustebino labiausiai. Iki šiol aš maniau kad fizika – labai vientisas ir monolitiškas mokslas, o kvantinė fizika ir reliatyvumo teorija tiesiog skirtingos jos dalys kurios viena su kita puikiai dera ir viena kitą papildo. Tačiau iš šio sakinio suprantu, kad yra kažkokių prieštaravimų. Gal galima kada būtų plačiau parašyti?

    1. Taip, ant reliatyvumo teorijos ir kvantinės fizikos stovi modernus supratimas apie gamtos dėsnius. Tačiau reliatyvumas aiškina apie labai didelius dalykus, o kvantinė fizika – apie labai mažus. Kai jie susikerta, kyla problemų. Juodųjų skylių atveju problemos kyla dvi: singuliarume ir informacijoje. Reliatyvumo teorija teigia, kad įvykių horizontą kirtusi medžiaga krenta į JS centrą, kur susitelkia į begalinio tankio nulinio dydžio tašką – singuliarumą. Kvantinė fizika sako, kad erdvė yra kvantuota ir begalinis tankis neįmanomas. Gauname prieštaravimą. Taip pat reliatyvumas teigia, kad įvykių horizontas nėra niekuo ypatingas paviršius krentančiam stebėtojui, t.y. įmanoma kirsti įvykių horizontą ir visiškai nepastebėti, kad kažkas labai pasikeitė. Tuo tarpu kvantinė fizika teigia, kad įvykių horizonto kirtimas sunaikina kvantinę informaciją apie įkrentantį objektą, todėl ta informacija turėtų būti kažkaip išskleidžiama ant įvykių horizonto paviršiaus, o į JS krentantis objektas iškart už įvykių horizonto turėtų susidurti su didžiulės energijos barjeru (ugniasiene), kuri jį sunaikintų išskaidydama į elementariąsias daleles ar kažką dar mažesnio.

      Yra ir daugiau prieštaravimų tarp reliatyvumo ir kvantinės fizikos, bet jie susiję su tokiais reiškiniais, kurių bent kol kas negalime patikrinti, pvz. Didžiuoju sprogimu ir infliacija.

  2. Molekuliu branduoliai sudaro 99% molekules mases, sauleje koncentruojasi apie 99% saules sistemos mases. Ar neatrodo, kad mazoka procentines mases galaktiku branduoliuose, pagal dabartine samprata, tik palei kelis procentus nuo visos galaktikos mases? Tie keli % turi suvaldyti 90 kelis % besisukancios mases.

    1. Ne, ne mažoka. Tokios analogijos, kaip jūs pateikiate, yra beprasmės. Galaktika nuo Saulės sistemos tuo iš esmės ir skiriasi, kad pirmu atveju centrinis objektas yra gravitaciškai nereikšmingas visos sistemos bendrai evoliucijai. Kažkada labai seniai apie tai rašiau čia.

      1. Aciu, idomu. Daug aiskiau del galaktiku gravitacijos. Tik vis tik idomu: kokia jega vercia galaktikas suktis? Juk tokj svori pajudinti ir pastoviai sukti nera paprasta.
        Ko gera reikia liudnai atsidusti ir pagalvoti: tipo didysis sprogimas uzkure viska:)

        1. „Pastoviai sukti“ energijos/jėgos nereikia – besisukantys dalykai nesustoja, nebent juos kažkas stabdo. O pradeda suktis todėl, kad formuojasi iš dujų telkinių, kurie šiek tiek sukasi. Pirmykštėje Visatoje medžiaga nebuvo pasiskirsčiusi idealiai vienodai, ir kai kurie regionai sukosi į vieną pusę, kiti – į kitą, nors suminis judesio kiekio momentas buvo nulinis. Atskirų gabalų judesio kiekio momentai buvo nenuliniai, o jiems atsiskyrus vienam nuo kito, judesio kiekio momentai nebegalėjo išsiprastinti ir išliko. Judesio kiekio momentas yra tvarus dydis, todėl kiekvienam telkiniui traukiantis, jis imdavo suktis vis greičiau. Taip ir susidarė besisukančios galaktikos.

      2. Idomu kas vercia galaktikas buti suplotos formos? Sakykim santykiu 10:1. Jeigu visos zvaigzdes ir ten esanti materija sudaro bendra gravitcija, tuomet turetu sudaryt sfera-kamuoli.

        1. Daugiausiai sukimasis – jei objektas sukasi, jam sunku susitraukti sukimosi plokštumoje, bet niekas netrukdo trauktis statmena kryptimi.

          Bet susiplojimas galimas ir ne tik dėl sukimosi – egzistuoja stabilios triašės (t.y. panašios į elipsoidą, bet su skirtingo ilgio ašimis) žvaigždžių struktūros, kurios sudaro elipsines galaktikas.

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *