Juodosios skylės, bet vidutiniškos

Reguliariems šio blogo skaitytojams neturėtų būti paslaptis, kad užsiimu juodųjų skylių tyrimais. Truputį tiksliau sakant, tyrinėju supermasyvių juodųjų skylių poveikį savo galaktikoms. Šios juodosios skylės randamos galaktikų centruose; jų masės siekia nuo kelių šimtų tūkstančių iki dešimčių milijardų Saulės masių. Kol kas nėra aišku, kaip jos atsirado, nors hipotezių netrūksta. Aišku, kad jos egzistavo praėjus gerokai mažiau nei milijardui metų po Didžiojo sprogimo. Kai į juodąją skylę krenta daug dujų, jos labai įkaista ir ima ryškiai spinduliuoti – galaktikoje atsiranda aktyvus branduolys. Ši spinduliuotė turi įvairų poveikį visai galaktikai – būtent įvairūs to poveikio aspektai yra mano mokslinių tyrimų sritis.

Kita astronomų išskiriama juodųjų skylių rūšis vadinama žvaigždinėmis juodosiomis skylėmis. Jų masės prasideda nuo maždaug trijų-penkių Saulės masių, o didžiausios siekia apie pusantro šimto. Tos, kurių masė neviršija maždaug 40 Saulės masių, atsiranda, kai masyvi žvaigždė sprogsta supernova. Masyvesnės gali atsirasti tik susijungiant dviem juodosioms skylėms. Kai kurios žvaigždinės juodosios skylės aptinkamos dvinarėse sistemose su įprasta žvaigžde, kitos – per gravitacinių bangų signalus.

Šalia supermasyvių ir žvaigždinių juodųjų skylių kartais įvardijamos ir kitos rūšys. Pavyzdžiui, pirmykštės juodosios skylės galėjo atsirasti per pirmąsias sekundes po Didžiojo sprogimo. Kai kurios iš jų galbūt galėjo išgyventi iki šių dienų; kai kurie mokslininkai teigia, kad hipotetinė Devintoji planeta Saulės sistemos pakraštyje iš tiesų yra keletą kartų už Žemę masyvesnė juodoji skylė. Kita kartais išskiriama grupė yra tarpinės masės juodosios skylės – tos, kurios galbūt egzistuoja tarp žvaigždinių ir supermasyvių. Apie jas čia ir papasakosiu.

Juodoji skylė dujų debesyje. Dailininko vizualizacija. Šaltinis: NAOJ

Šį pažintinį straipsnį parašiau, nes turiu daug rėmėjų Patreon platformoje. Ačiū jums! Jei manote, kad mano tekstai verti vieno-kito dolerio per mėnesį, paremti mane galite ir jūs.

Su tarpinės masės juodosiomis skylėmis situacija yra panaši, kaip ir su nežemiška gyvybe: ieškoma ilgai, buvo keletas įdomių, tačiau galiausiai nepasiteisinusių atradimų. Ir vis dar išlieka neatsakytas klausimas: ar jų iš tiesų nėra, ar nemokame ieškoti?




Juodųjų skylių masių pasiskirstymas. Horizontalioje ašyje nurodyta masė logaritminėje skalėje; 1 reiškia 10 Saulės masių, 3 – tūkstantį ir t.t. Geltonai pažymėtos žvaigždinės juodosios skylės, mėlynai – supermasyvios. Vertikaliomis linijomis pažymėti kai kurie įdomūs objektai: masyviausios juodosios skylės, pagautos gravitacinių bangų signalais, mažiausia bei didžiausia supermasyvi juodoji skylė, Paukščių Tako centrinė juodoji skylė. Šaltinis: Celoria et al. (2018)

Prieš atsakydami į jį, pabandykime apsibrėžti, kas gi tos „tarpinės masės juodosios skylės“ yra. Sakyti, kad tai juodosios skylės, kurių masė didesnė, nei žvaigždinių, bet mažesnė, nei supermasyvių, atrodo paprasta, bet toks apibrėžimas negeras dėl dviejų priežasčių. Pirmoji – toli gražu nežinome tikslių ribų, kur baigiasi šios dvi žinomos juodųjų skylių grupės. Aukščiau minėjau, kad mirdamos žvaigždės gali palikti ne didesnes, nei 40 Saulės masių juodąsias skyles. Tai ne visai tiesa – rezultatas iš tiesų priklauso nuo žvaigždės metalingumo. Metalingumas yra žvaigždės masės dalis, kurią sudaro už helį sunkesni elementai – astronomijoje jie visi vadinami „metalais“. Saulės metalingumas siekia apie 2% – tokios cheminės sudėties žvaigždės tikrai neturėtų palikti didesnių nei kelių dešimčių Saulės masių juodųjų skylių. Tuo tarpu šimtą kartų mažiau metalų turinčios žvaigždės po savęs gali palikti net ir 130 Saulės masių liekaną.

Kompaktiškos liekanos (neutroninės žvaigždės ar juodosios skylės) masės priklausomybė nuo pradinės žvaigždės masės (horizontali ašis) ir metalingumo (linijos). Skaitmeninio žvaigždžių evoliucijos modelio rezultatai. Šaltinis: Spera et al. (2015)

Pridėkime prie to faktą, kad daugelis žvaigždžių egzistuoja dvinarėse sistemose, taigi po žvaigždžių mirčių juodosios skylės gali likti dvi ir po kurio laiko susijungti, ir štai prieiname net ir 200 Saulės masių, kaip galimą „žvaigždinių“ juodųjų skylių masės ribą. O jei žvaigždės buvo ne dvinarėje, o daugianarėje sistemoje? Šiuo metu masyviausia žinoma „žvaigždinė“ juodoji skylė – dviejų mažesnių susiliejimo produktas – siekia daugiau nei 140 Saulės masių, bet greičiausiai nėra absoliuti riba.

Gravitacinių bangų signalo GW190521 kaltininkė – masyvių juodųjų skylių pora, susijungusi į dar didesnę. Šaltinis: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)

Mažiausių supermasyvių juodųjų skylių rekordai taip pat karts nuo karto pagerinami. Prieš kokius dešimt metų nebuvo žinoma mažesnių, nei milijono Saulės masių, juodųjų skylių galaktikų centruose; tiesa, buvo keletas „viršutinių ribų“ (t. y. įvertinimų, kad jei tam tikroje galaktikoje yra juodoji skylė, jos masė negali viršyti šios ribos) ir apytikrių įvertinimų, siekiančių šiek tiek mažesnę nei milijono Saulės masių ribą. Bet gerėjant stebėjimų prietaisams ir analizės metodams atrastos dešimtys objektų su masėmis tarp 100 tūkstančių ir milijono Saulės masių. Keli naujausi atradimai, atrodo, peržengia ir šią žemesnę ribą. Iš kitos pusės, atrodo, kad mažose galaktikose centrinės juodosios skylės egzistuoja ne visada. Tad turbūt egzistuoja reali apatinė riba, kokias mažiausias juodąsias skyles galima rasti galaktikų centruose, bet kokia ji tiksliai yra – nežinome.

Galaktikų centrinių juodųjų skylių masės ir žvaigždžių greičių dispersijos (M-sigma) sąryšis. Mažiausios šiuo metu žinomos centrinės juodosios skylės yra mažesnės nei šimto tūkstančių Saulės masių. Šaltinis: Baldassare et al. (2020)

Antra problema su tarpinės masės juodųjų skylių įvardinimu tik pagal masės intervalą susijusi su jų formavimusi. Visatoje retai galime nubrėžti aiškią ribą tarp objektų klasių vien pagal kurį nors vieną parametrą – pavyzdžiui, masę. Mažiausios galaktikos yra panašios masės, kaip didžiausi kamuoliniai žvaigždžių spiečiai, bet tai nereiškia, kad galaktikos ir žvaigždžių spiečiai yra „iš esmės tokie patys“ objektai. Tiesiog galaktikos turi tamsiosios materijos halus, o spiečiai – ne. Einant per žvaigždes prie vis mažesnių, tolygiai pereisime į rudųjų nykštukių, o vėliau – ir į planetų teritoriją. Bet tarp šių objektų tipų yra esminiai skirtumai, susiję su termobranduolinėmis reakcijomis jų branduoliuose. Jei juodąsias skyles atskirsime vien pagal masę, galime taip pat prarasti svarbių žinių apie jų formavimąsi ar evoliuciją.

Kaip gali atsirasti tarpinės masės juodosios skylės? Būdai, grubiai tariant, yra trys, ir jie neatsitiktinai panašūs į supermasyvių juodųjų skylių kilmės hipotezes. Juodosios skylės gali išaugti, žvaigždinėms ryjant daug dujų, arba žvaigždinėms jungiantis tarpusavyje, arba tiesiog atsirasti iš pirmykščių dujų telkinių.

Augimas ryjant dujas labiausiai tikėtinas daugelio galaktikų centrinėse dalyse. Jei galaktika yra didelė, joje dujų gali užtekti, kad juodoji skylė užaugtų iki supermasyvaus dydžio. Jei galaktika labai maža, dujų ten nebelieka po pirmųjų supernovų sprogimų ir juodajai skylei augti nesiseka. „Vidutinėse“ galaktikose – tokiose, kurių masė siekia kelis milijardus Saulės masių – juodosios skylės gali augti, bet pasiekia tik dešimčių tūkstančių Saulės masių ribą. Galbūt. Būtent šiose galaktikose randamos mažiausios „supermasyvios“ juodosios skylės.

Atsiradimas iš pirmykščių dujų telkinių įmanomas tik Visatos jaunystėje. Kol kas toks procesas nebuvo užfiksuotas tiesiogiai, tad nežinia, kokios tipinės masės juodosios skylės gali taip susiformuoti. Kai kuriuose modeliuose daroma prielaida, kad jų masė turėtų būti keli tūkstančiai Saulės masių, kituose – net ir šimtas tūkstančių. Jei toks objektas susiformuoja ir toliau nebeauga, turime tarpinės masės juodąją skylę.

Juodųjų skylių atsiradimo hipotezės (viršuje kairėje) ir galimi evoliucijos keliai. Jei juodosios skylės gali augti, jos tampa supermasyviomis, priešingu atveju lieka tarpinės masės. Šaltinis: Mezcua (2019)

Abu aukščiau aprašyti variantai duoda mums tarpinės masės juodąsias skyles, kurios yra tiesiog supermasyviųjų „tęsinys“, tik ne tiek daug išaugęs, kaip pastarosios. Įdomesnis variantas – daugelio, dešimčių ar šimtų, žvaigždinių juodųjų skylių susijungimas į vieną didesnę. Toks procesas gali atrodyti kaip tiesiog „didesnis“ atvejis dvinarės juodosios skylės susijungimo, kuriuos stebime per gravitacinių bangų signalus. Bet iš tiesų jis gerokai kitoks, nes kalbama apie daugybinius susiliejimus ne daugianarėje sistemoje, kurioje juodąsias skyles tarpusavyje suriša jų pačių gravitacija (tokia daugianarė sistema būtų labai nestabili ir tikrai neišgyventų nesubyrėjusi, kol juodosios skylės susijungs), o žvaigždžių spiečiaus centre.

Žvaigždžių spiečiai įdomūs tuo, kad juose dujų praktiškai nelieka iškart po susiformavimo, taigi juodosioms skylėms augti ryjant dujas neįmanoma. Juose neturėtų būti ir tiesiogiai iš dujų atsiradusių didelių juodųjų skylių – toks atsiradimas kaip tik reikalauja kokiu nors būdu sustabdyti dujų fragmentaciją į žvaigždes. O štai žvaigždinės juodosios skylės, atsiradusios mirštant masyvioms spiečiaus žvaigždėms, gali susijungti. Tarpusavio gravitacinė sąveika lemia, kad masyviausi spiečiaus nariai „nuskęsta“ į jo centrą. Iš pradžių tai yra didžiausios žvaigždės, vėliau – juodosios skylės. Taigi spiečiaus centre susikaupia juodųjų skylių telkinys – vidutiniškai viena juodoji skylė 200 Saulės masių pradinės spiečiaus masės. Didžiausi spiečiai Paukščių Take turi šimtus tūkstančių Saulės masių, taigi juose gali būti tūkstančiai juodųjų skylių. Jei dauguma jų susijungia į vieną, tikrai gausime objektą, patenkantį į tarpinės masės juodųjų skylių kategoriją.

Vienas didžiausių spiečių Paukščių Take, Tukano 47. Jame galimai egzistuoja kelių tūkstančių Saulės masių juodoji skylė. Šaltinis: ESO/M.-R. Cioni/VISTA Magellanic Cloud survey, Cambridge Astronomical Survey Unit

Spiečiuje esančią juodąją skylę galima aptikti, nagrinėjant žvaigždžių judėjimą. Jei spiečiaus centre yra kelis tūkstančius kartų už Saulę masyvesnis tamsus kūnas, žvaigždės, veikiamos jo traukos, judės didesniais greičiais, nei judėtų jam nesant. Remdamiesi tokiais – dinaminiais – argumentais, astronomai ne sykį teigė atradę tarpinės masės juodąsias skyles įvairiuose spiečiuose. Šiuo metu žinomi devyni spiečiai su galimomis centrinėmis juodosiomis skylėmis, kurių masė gali siekti nuo kelių šimtų iki kelių dešimčių tūkstančių Saulės masių. Kita mokslininkų grupė, atlikę analogišką dujų judėjimo debesyje analizę, gavo išvadą, kad Paukščių Tako centre, netoli supermasyvios juodosios skylės, skrajoja keliasdešimties tūkstančių Saulės masių tamsus kūnas. Pagrindinė šių paieškų problema – spiečių žvaigždžių judėjimo duomenys dažnai yra labai neaiškūs ir galimos įvairios interpretacijos. Todėl vien dinaminės užuominos apie juodosios skylės egzistavimą paprastai neužtenka – bandoma rasti ir požymių, kad į juodąją skylę krenta dujos. Nors spiečiuje jų labai mažai, žvaigždžių vėjai sukuria šiokį tokį foną, kuris, įkaitęs juodosios skylės prieigose, gali skleisti rentgeno ar radijo spinduliuotę. Porą kartų tokia spinduliuotė buvo aptikta, bet vėlesnė analizė parodė, jog tai gali būti tiesiog žvaigždinės masės juodosios skylės, ryjančios dujas iš kompanionės dvinarėje sistemoje, signalas.

Galimi akrecijos – dujų kritimo ir su tuo susijusios spinduliuotės – signalai irgi ne kartą buvo interpretuojami kaip tarpinės masės juodųjų skylių egzistavimo įrodymas. Pagrindinė idėja čia gana paprasta: maksimalus šviesis, kurį gali skleisti sferiškai simetriškas kūnas, medžiagai krentant į jį, yra proporcingas kūno masei. Jei randame objektą, kurio spinduliuotė didesnė, nei maksimali leistina žvaigždinės masės juodajai skylei, tačiau ten nematome dinaminio pėdsako, rodančio supermasyvios juodosios skylės egzistavimą, tai radome tarpinės masės juodąją skylę, ar ne? Pasirodo, ne. Jei į žvaigždinės masės juodąją skylę bandysime įmesti labai daug dujų, spinduliuotė taps nebe sferiška, o suspausta į siaurus kūgius. Kūgiškai sklindančios spinduliuotės galia gali viršyti sferiškai simetriškai spinduliuotei galiojančią ribą; be to, spinduliuotė suspaudžiama į mažesnį paviršiaus plotą, taigi ploto vienetui tenkantis jos intensyvumas gali būti daugybę kartų didesnis, nei sferinės simetrijos atveju. Tad ryškiai šviečiančios tarpinės masės juodųjų skylių kandidatės paaiškėjo esančios juodosios skylės ar netgi neutroninės žvaigždės, kurias gausiai maitina žvaigždės-kompanionės. Tėra vos trys ypatingai šviesūs rentgeno spindulių šaltiniai, kurių kol kas nepavyko vienareikšmiškai paaiškinti kūgiškai sklindančia spinduliuote, bet interpretacija, kad ten yra masyvios juodosios skylės, taip pat nėra visuotinai priimta.

Galaktika M82 rentgeno spindulių ruože (NuSTAR ir Chandra nuotraukų montažas). X-1 ir X-2 yra du labai ryškūs rentgeno spindulių šaltiniai; juos galima interpretuoti kaip tarpinės masės juodąsias skyles, bet greičiausiai tai yra labai sparčiai maitinamos neutroninės žvaigždės. Šaltinis: NASA/JPL-Caltech/SAO

Yra ir daugiau idėjų, kaip gali pasireikšti tarpinės masės juodųjų skylių poveikis. Pavyzdžiui, arti tokios juodosios skylės priskridusi dvinarė žvaigždė gali iširti, o viena jos narė išlėkti labai dideliu greičiu ir gal net pabėgti iš galaktikos. Be to, yra žinoma, kad į juodąsias skyles krentančios medžiagos radijo bei rentgeno spinduliuotės intensyvumas būna ne atsitiktinis, o susijęs tarpusavyje ir su juodosios skylės mase; šį sąryšį irgi būtų galima išnaudoti masei nustatyti. Bet nei vienas metodas kol kas nedavė vienareikšmiško įrodymo, kad ne galaktikų centruose egzistuoja juodosios skylės, daug masyvesnės už žvaigždines.

Atrasti tarpinės masės juodąsias skyles arba išsiaiškinti, kad jos neegzistuoja, svarbu dėl kelių priežasčių. Pirma – tai padėtų suprasti, kaip dažnai ar retai vyksta kai kurie procesai, kurie kol kas vertinami tik teoriškai. Tie patys aukščiau minėti juodųjų skylių susiliejimai žvaigždžių spiečiuose turėtų skleisti ir gravitacinių bangų signalus, bet kol kas tokių nepavyko aptikti. Ar tai reiškia, kad jie nevyksta išvis, ar kad vyko taip seniai, jog dabar mus pasiekiantys signalai per silpni? Neabejotinas tarpinės masės juodosios skylės aptikimas spiečiuje padėtų atsirinkti tarp šių galimybių. Jei tokį objektą aptiktume ne spiečiuje, tai užduotų naujų klausimų apie galimybes jiems užaugti ryjant dujas arba pabėgti iš spiečiaus, jau susiformavus. Galiausiai, tarpinės masės juodosios skylės glaudžiai siejasi ir su supermasyviųjų kilme. Jei supermasyvios juodosios skylės prasidėjo kaip 100 tūkstančių Saulės masių „pradmenys“, mažesnių tarpinės masės juodųjų skylių gali ir apskritai nebūti. Iš kitos pusės, jei jos išaugo iš gerokai mažesnių – tūkstančio, šimto ar dešimties Saulės masių objektų – turėtume rasti ir augimo procese „pasimetusių“ liekanų.

Taigi, apibendrinant, tarpinės masės juodosios skylės kol kas išvengia mūsų paieškų. Atrandamos vis didesnės žvaigždinės ir vis mažesnės supermasyvios juodosios skylės, tačiau tarpas tarp šių grupių išlieka, o radikaliai kitaip susiformavusių, ar ne galaktikų centruose egzistuojančių tikrai masyvių juodųjų skylių kol kas rasti nepavyko. Neabejoju, kad ateityje ši tendencija tęsis: gravitacinių bangų signalai atskleis vis daugiau „keistai masyvių“, šimtą Saulės masių viršijančių, juodųjų skylių, bet jų bus daug mažiau, nei mažesnių; vis mažesnių galaktikų centruose bus aptinkamos juodosios skylės, kurių masės kartais nesieks ir šimto tūkstančių Saulės masių, bet tai irgi bus reti atradimai, lyginant su labiau tipinėmis supermasyviomis. Ar kuris nors iš egzotiškesnių variantų – neįprasti rentgeno spindulių šaltiniai, tamsios masės žvaigždžių spiečių centruose, ar dar kas kito – duos nenuginčijamų rezultatų, kol kas prognozuoti dar per anksti.

Laiqualasse

5 komentarai

  1. „kai kurie mokslininkai teigia, kad hipotetinė Devintoji planeta Saulės sistemos pakraštyje iš tiesų yra keletą kartų už Žemę masyvesnė juodoji skylė.“ Kaip juodoji skylė gali būti kelių Žemės masių, kai jų dydžiai prasideda Saulės masėmis?

    Tarp kitko, kažkaip ką tik mintis kilo. Imperinę matų sistemą laikome atsilikusią lyginant su metrine. Jums neatrodo, jog dabartinė kosmologinių mastelių sistema yra tokio paties principo kaip ir imperinė matų sistema? T.y. padrikai dydžiai kyla, o ne dešimties principu kaip metrinė pvz. masės ir atstumo dydžiai. Kaip galvojate, ar kada pereisime prie metrinės atitikmens ar taip ir liksime su imperinės atitikmeniu, nes patogiau skaičiuoti?

    Beje, kaip visada puikus straipsnis ; )

    1. Tekste nepatikslinau, kad hipotetinėms pirmykštėms juodosioms skylėms negalioja tokios masės ribos, kaip žvaigždinėms. Tad jų masė gali būti gerokai mažesnė.

      Dėl matų sistemos – įtariu, kad tradicija yra pakankamai rimtas stabdis tokiai reformai. Be to, dydžiai nėra visiškai „arbitrary“: parsekas ir astronominis vienetas susiję per lanko ilgį, o parsekams SI priešdėliai naudojami labai sėkmingai, būna ir miliparsekų, ir kilo-, ir mega-, ir giga-. Su masėmis taip nėra, bet jos tiesiog „natūralios“ imamos: Žemės, Jupiterio, Saulės. Greitis paprastai rašomas SI vienetais ar išvestiniais iš jų – kilometrais per sekundę. Laikas matuojamas sekundėmis arba metais.

  2. Jei randamos tik dvi JS rūšys ir mes tikime, kad jų prigimtis vienoda, reikia atkreipti dėmėsį į jų skirtumus. Minėjote, kad „mažosios“ JS nesukaupią tamsiosios materijos. Tai galėtų reikšti, kad JS pasiekusios kritinę mąsę(virš ~150 sm)transformuojasi: – įgyja „tamsiosios materijos“ galią „momentaliai“ siurbdamos materiją iš žvaigždžių spiečių iš labai toli. Susiformuoja mega ūkai (kurių vidaus procesų nematome) virstantys galaktika su supermasyvia JS ir su „tamsiąja meterija“ kuri nėra kas kita kaip supermasyvios JS nežinoma savybė. Juk ir mūsų galaktikos centre esanti JS yra dar mažai pažystama jei tik dabar atrastas koks tai barjeras neleidžiantis kosminei spinduliuotei kristi į ja.
    Neužilgo bus „James Web“ gal pamatysime kas per „fabrikėliai“ veikia tuose ūkuose.

    1. Spėju, apie „tamsiosios materijos sukaupimą“ turite omeny šitą sakinį: „Tiesiog galaktikos turi tamsiosios materijos halus, o spiečiai – ne.“ Tai turiu patikslinti, kad tamsiosios materijos halo (ne)egzistavimas nepriklauso nuo juodosios skylės buvimo ar jos masės. Deja, tolesni jūsų teiginiai atrodo dar mažiau prasmingi, nei pirmasis, tai nelabai ką galiu pakomentuoti.

Komentuoti: Pumpurėlio Nešėjas Atšaukti atsakymą

El. pašto adresas nebus skelbiamas.