Nobelio premija – už tamsiausių Visatos paslapčių praskleidimą

Lygiai prieš metus Nobelio fizikos premiją pasidalino kosmologas Jamesas Peeblesas bei du egzoplanetų medžiotojai Michelis Mayoras ir Didieras Quelozas. Pirmasis – už modernių teorinės kosmologijos pagrindų suformulavimą, kiti du – už pirmos egzoplanetos prie į Saulę panašios žvaigždės atradimą. Tada rašiau, kad astrofizika yra labai Nobeliais produktyvi fizikos šaka. Šiaip nekeista, nes kuo toliau, tuo pažinimo horizontai plečiasi į labai tolimus/didelius ir labai mažus, o astrofizika aprėpia tą pirmąją pusę.

Šiemet astrofizikos produktyvumas įrodytas dar kartą: Nobelio premiją pasidalino Rogeris Penrose`as, Reinhardas Genzelis ir Andrea Ghez. Pirmasis – už teorinį darbą, parodantį, kad juodosios skylės gali susiformuoti realių Visatoje vykstančių procesų metu iš realių astronominių objektų, o kiti du – už supermasyvios juodosios skylės egzistavimo Paukščių Tako centre įrodymą. Ką gi tai reiškia?

Šių metų Nobelio fizikos premijos laureatai. Andrea Ghez yra tik ketvirtoji moteris, gavusi šį apdovanojimą. Niklas Elmehed iliustracija. Šaltinis: Nobel Media

Apskritai kažkas panašaus į juodąsias skyles pirmą kartą paminėta XVIII a. pabaigoje, prancūzo Pierre`o Laplace`o ir anglo Johno Michello darbuose. Jie skaičiavo, koks turėtų būti kūnas, kad iš jo negalėtų pabėgti šviesa. Bet jie rėmėsi klasikine (Niutonine) gravitacijos teorija, o ir gautos masės – 100 milijonų Saulės masių – buvo daug didesnės, nei bet kokio tuo metu žinomo kosminio kūno, tad tie atradimai daug dėmesio nesulaukė. 1915 m. Albertas Einsteinas paskelbė bendrąją reliatyvumo teoriją, o jau po metų vokietis Karlas Schwarzschildas apskaičiavo pagrindinių lygčių sprendinį, rodantį, kad gali egzistuoti kūnai, iš kurių pabėgti neįmanoma. Tokio kūno dydis jo garbei vadinamas Schwarzschildo spinduliu. Visgi šis rezultatas atrodė tik matematinė įdomybė, neatitinkanti nieko realiai egzistuojančio Visatoje; juk Saulės masės kūno Schwarzschildo spindulys yra lygus vos trim kilometrams, o Žemės – trim centimetrams!

Schwarzschildo atrastas reliatyvumo teorijos lygčių sprendinys dažnai lyginamas su skyle erdvėlaikyje. Lygtis nurodo ryšį tarp Schwarzschildo spindulio ir kūno masės.

Visgi laikui bėgant astronomai ir fizikai-teoretikai pamažu priartėjo prie minties, kad juodosios skylės – kaip jos pavadintos septintajame dešimemtyje – galbūt egzistuoja iš tiesų. Prie paradigmos poslinkio prisidėjo atradimas, kad baltosios nykštukės – žvaigždžių liekanos – turi maksimalią masę, o ją viršijusios turi susitraukti į kompaktiškesnius objektus, neutronines žvaigždes, nedaug didesnes už savo Schwarzschildo spindulius. Vėliau, ketvirtojo dešimtmečio pabaigoje, apskaičiuota, kad ir neutroninėms žvaigždėms egzistuoja maksimali masės riba. Liko neaišku, ar jos gali kolapsuoti į kokį tankesnį kietą kūną, ar tik į juodąją skylę.

Taip pat buvo neaišku, ar juodoji skylė tikrai gali susiformuoti, traukiantis masyviam kūnui. Bet kokiai dalelei artėjant prie įvykių horizonto – ribos, iš kurios ištrūkti nebeįmanoma – tolimas stebėtojas matytų, kaip dalelės laikas teka vis lėčiau, kol ties horizontu apskritai sustoja. Tai lyg ir reiškia, kad negalime matyti, kaip dalelė kerta įvykių horizontą, tad kaip galėtume matyti visą žvaigždę, sukolapsuojančią į juodąją skylę? Dar 1939 metais Robertas Oppenheimeris ir Hartlandas Snyderis apskaičiavo, kad sferiškai simetriška žvaigždė visgi gali susitraukti į juodąją skylę, bet liko neaišku, ar taip gali nutikti ir nesferiškam kūnui. Čia prie problemos priėjo Rogeris Penrose`as ir ją išsprendė. Tiesa, tai nutiko tik 1965 metais. Penrose`as įrodė, kad egzistuoja „įkaltinti paviršiai“ – įvykių horizonto analogai, nepriklausomi nuo sistemos simetriškumo. Jei toks paviršius sistemoje – pavyzdžiui, žvaigždėje – atsiranda, žvaigždė pavirsta juodąja skyle. Šis darbas laikomas svarbiausiu proveržiu reliatyvumo teorijos vystyme nuo Einsteino mirties.

Supernovos liekana W49B. Prieš maždaug tūkstantį metų sprogusios žvaigždės vietoje liko juodoji skylė. Šaltinis: Rentgenas: NASA/CXC/MIT/L.Lopez et al.; Infraraudonieji: Palomar; Radijo: NSF/NRAO/VLA

Penrose`o darbas tvirtai įtraukė juodąsias skyles į astrofizikinių tyrimų lauką. Netrukus buvo iškelta hipotezė, kad į labai didelės masės juodąsias skyles krentanti medžiaga gali išspinduliuoti ypatingai daug energijos ir paaiškinti kvazarų prigimtį. Kvazarai, atrasti 1963 m., yra galaktikų branduoliai, iš kurių sklindanti spinduliuotė šimtus kartų viršija visos galaktikos žvaigždžių spinduliuotės intensyvumą. Kitų galaktikų branduoliai irgi švyti, tik ne taip ryškiai – ten irgi yra juodosios skylės, į kurias krenta medžiaga, tik ne taip sparčiai, kaip į kvazarus. Septintojo dešimtmečio pabaigoje ir aštunto pradžioje padaryta daugybė teorinių proveržių, vienaip ar kitaip paremtų Penrose`o darbu.

Visgi švytintys, arba aktyvūs, branduoliai pasitaiko tik mažiau nei vienoje iš dešimties galaktikų. Mūsų Paukščių Takas tokio branduolio neturi. Ar tai reiškia, kad jo centre ir juodosios skylės nėra? Pasirodo, ne. Dar 1974 metais Bruce`as Balickas ir Robertas Brownas aptiko kompaktišką radijo spinduliuotės šaltinį Paukščių Tako centre. Jis netrukus pavadintas Šaulio A* – mat matomas Šaulio žvaigždyne, pirmajame toje dangaus dalyje aptiktame pasklidusios radijo spinduliuotės debesyje. Žvaigždutė, kaip byloja folkloras, reiškia, kad tai yra „įdomus“ šaltinis. Jo prigimtis buvo neaiški iki dešimtojo dešimtmečio vidurio.

Galaktikos centras radijo spindulių ruože. Pačiame centre yra Šaulio A* – centrinė supermasyvi juodoji skylė. Pavadinimais identifikuotos kitos įdomesnės struktūros. Šaltinis: Kassim et al. (1999)

Maždaug 1992 metais dvi tyrėjų grupės – Miunchene įsikūrusi europiečių grupė, vadovaujama Reinhardo Genzelio, ir Kalifornijoje amerikiečių, vadovaujama Andrea`os Ghez – pradėjo ilgalaikius Šaulio A* ir aplinkos stebėjimus. Naudodami geriausius tuometinius, ir laikui bėgant vis gerėjančius instrumentus, jie sekė daugybės žvaigždžių, besisukančių aplink Galaktikos centrą, judėjimą. Šios žvaigždės, bendrai vadinamos S spiečiumi, nuo centro nutolsta mažiau nei parseką, o jų orbitų periodai siekia nuo keliolikos iki šimtų metų. Taigi net ir keletą metų trukusių stebėjimų užteko, kad būtų apskaičiuotos pirmųjų žvaigždžių orbitų savybės ir nustatyta jas traukiančio kūno masė. Pirmi įvertinimai rodė, kad tai yra 2,6 milijonų Saulės masių kūnas, kurio spindulys neviršija 120 astronominių vienetų. Vėliau masė buvo patikslinta ir padidėjo – šiandieninė vertė yra apie 4,1-4,3 milijono Saulės masių, – o galimas spindulys – sumažėjo. Bet nuo pat 2002 metų, kai paskelbti pirmieji įvertinimai, liko mažai abejonių, kad mūsų Galaktikos centre yra supermasyvi juodoji skylė.

Žvaigždžių orbitos aplink Šaulio A*. 0,1 kampinės sekundės atitinka maždaug 0,004 parseko arba 800 astronominių vienetų. Šaltinis: Kormendy & Ho (2013), adaptuota iš Genzel et al. (2010)

Šaulio A* yra didžiausia juodoji skylė mūsų danguje – kitaip tariant, jos įvykių horizonto kampinis dydis dangaus skliaute yra didesnis, nei bet kurios kitos. Taigi ir tyrinėti ją galime detaliau, nei bet kurią kitą. Besitęsiantys Genzelio ir Ghez grupių tyrimai leido suprasti, kad S žvaigždės yra gana jaunos, greičiausiai susiformavusios ten pat, kur dabar ir yra; patikslinti juodosios skylės masę; patikrinti reliatyvumo teorijos prognozes apie žvaigždžių orbitų pokyčius; ir padaryti daugybę kitų atradimų. Gali būti, kad netrukus sulauksime ir tiesioginės Šaulio A* šešėlio nuotraukos; pernai padaryta M87 galaktikos centrinės juodosios skylės nuotrauka irgi patvirtino reliatyvumo teorijos prognozes.

M87* – pirmoji juodosios skylės nuotrauka. Šaltinis: Event Horizon Telescope

Apskritai šie tyrimai, kaip ir kita astrofizika, tiesioginės praktinės naudos neduoda. Bet geresnis Visatos, ypač ekstremalių joje vykstančių procesų, pažinimas leidžia patobulinti ir teorijas bei technologijas, kurios prisideda ir prie kasdienio gyvenimo gerėjimo. Palydovinė navigacija neveiktų, neįvedus pataisų dėl skirtingos gravitacijos bei judėjimo greičio Žemės paviršiuje ir orbitoje – tai yra bendrosios reliatyvumo teorijos prognozė. Ekstremali aplinka prie juodųjų skylių leidžia tyrinėti ir teorijas, bandančias apjungti reliatyvumą su kvantine fizika – tą sėkmingai padarius atsivertų didžiuliai naujų atradimų klodai. Gravitacijos procesų tyrimai kada nors gali leisti sukurti fundamentaliai kitokius erdvėlaivių variklius ir atverti mūsų zondams, o gal net žmonėms, kosmoso platybes. Bet visa tai prasideda nuo apmąstymų apie kolapsuojančias žvaigždes ir detalių tolimų žvaigždžių stebėjimų.

Plačiau apie apdovanojimą galite perskaityti Švedijos Karališkosios mokslų akademijos pranešime spaudai bei moksliniame apdovanojimo pagrindime.

Laiqualasse

3 komentarai

  1. Juodosios skyles pats paprasciausias objektas visatoje. Mase, laikas ir erdve labai graziai formulese atrodo. m=r, t greitis =0. Nera kitu tokiu paprastu dalyku.

    Visualizaciju kaip atrodo curvature juoduju skyliu ar kad ir saules yra pilnas internetas. O kaip atrodytu curvature Milky Way, kur rotation velocity flats out su atstumu? Kaip kinta escape velocity ir R santykis? Ar kinta santykis v_rotation ir v_escape. Sunku suvokti.

    1. Paukščių Tako erdvės iškreiptumas būtų labai labai mažas, tai net nežinau, ar prasminga jį vaizduoti. Nesu tokių vizualizacijų matęs.

      Ryšys tarp apskritiminio judėjimo ir pabėgimo greičio nėra visai trivialus, kai kalbame apie pasklidusį medžiagos telkinį (kaip galaktika). Tai santykis tarp jų kinta, priešingai nei taškinio potencialo atveju. Kiek plačiau galima paskaityti, pvz., čia: http://astro.utoronto.ca/~bovy/AST1420/notes-2017/notebooks/02.-Spherical-Mass-Distributions.html .

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *