8 Minutės
Įsivaizduokite tamsų leviataną, riedantį per galaktiką, nematomą tol, kol jo trauka nepradeda pertvarkyti aplinkinių žvaigždžių orbitų — kosminę kulką, raižančią šviesią uodegą. Tai nebėra mokslinė fantastika. Keli stebėjimų keliai ir dešimtmečiai teorinių darbų pakėlė pabėgančių juodųjų skylių idėją nuo spekuliacijos iki reiškinio, kurį astronomai dabar vertina rimtai.
Kaip juodoji skylė gali būti išmesta
Šios istorijos sėkla slypi matematikoje ir energijoje. XX a. pradžioje, šeštojo dešimtmečio pradžioje, Roy Kerr rado išskirtinį sprendinį Einšteino laukų lygčių sistemai, aprašantį besisukančią juodąją skylę. Kerro geometrija perduoda dvi aiškias savybes: juodosios skylės stebėtinai paprastos — jas apibrėžia masė, sukimas (spin) ir krūvis — ir besisukanti juodoji skylė kaupia didelį energijos rezervuarą savo rotacijoje. Ekstremaliais atvejais beveik trečdalis skylės masės ekvivalento gali būti laikomas rotacine energija.
Tas rotacinis rezervuaras yra pasiekiamas fizikos prasme. Rogeris Penrose'as ir kiti parodė, kad ištraukiama sukimosi energija teoriškai gali būti atimta iš besisukančios juodosios skylės — tai galima įsivaizduoti kaip labai įtemptą smagračio analogą kosmose. Kai susijungia dvi juodosios skylės, susidūrimas būna smarkus ir trumpas. Gravitacinės bangos — erdvėlaikio bangavimai — išneš energiją ir impulsą. Jei šios bangos skleidžiamos asimetriškai, impulsų išsaugojimo principas suteikia naujai susiformavusiai skylei atatranką, t. y. gravitacinį „smūgį“.
Gravitacinių bangų atatranka paprastai
Pasisvaikinkite vaizduodami du šokėjus, sukiniusius ir susidūrusius tarpusavyje. Jei jų sukimosi kryptys ir masės nėra tobulai subalansuotos, muzika išmeta partnerį tam tikra kryptimi. Juodųjų skylių atveju tam tikros sukimosi konfigūracijos gali sutelkti gravitacinių bangų emisiją palankiau vienos ašies link. Rezultatas: galutinis objektas gali būti išmestas šimtų ar net tūkstančių kilometrų per sekundę greičiu — pakankamai greitai, kad įveiktų galaktikos gravitacinį trauką.
Kai 2015 m. LIGO ir Virgo ėmė fiksuoti susijungiančių juodųjų skylių „čiurpsinimus“, teorija susitiko su duomenimis. Observatorijos užfiksavo ringdown signalus — jaunosios juodosios skylės rezonansinius virpesius — kurie atskleidžia informaciją apie sukimosi greitį ir masę. Per kitas metais atliktos analizės parodė, kad daugelis susijungiančių porų turėjo sudėtingus, išsikrypusius sukimosi kampus ir reikšmingą rotacinę energiją — sąlygas, palankias stipriems impulsams. Tai, kas anksčiau buvo gražus skaičiavimas lentoje, tapo tikėtinu realių kosminių įvykių rezultatu.
Techninė prasme atatranka priklauso nuo kelių tarpusavyje susijusių parametrų: masių santykio, kiekvienos skylės sukimosi ašių orientacijos ir sukimosi dydžio (dimensionless spin parameter a*), ir taip pat nuo bangų emisijos fazių. Numerinės reliatyvumo simuliacijos — skaitmeniniai modeliai, sprendžiantys pilnas Einšteino lygtys — parodė, kad optimalios sąlygos gali generuoti „kick“ viršijantį 3 000 km/s. Tokie greičiai yra pakankami, kad mirtinai išmuštų supermasyvią skylę net iš didelės masės galaktikos potencialo giliausio taško.
Stebėjimas: kaip aptikti bėglius
Mažas, pabėgantis juodasis skylė praktiškai neįmanomas tiesiogiai aptikti: jos neskleidžia šviesos, o be akrecijos disko ar aplinkinio dujų srautavimo jos išlieka nematomos. Tačiau supermasyvūs bėgliai — sveriantys milijonus ar milijardus Saulės masių — negali praslysti per galaktiką nepaleisdami aiškių pėdsakų. Kai masyvi juodoji skylė bėga per tarpžvaigždinę terpę, ji suspaudžia dujas, sukelia spaudimo smūgius, skatina žvaigždžių formavimąsi ir gali apšviesti ryškų, linijinį naujai susiformavusių žvaigždžių taką, išsitiesiantį dešimtis ar šimtus tūkstančių šviesmečių.
Aplink 2025 metus keli darbai sukėlė visuotinį susidomėjimą, kai astronomai pristatė itin tiesius žvaigždžių juostas galaktikų viduje. Viename aukšto profilio tyrime, kurį vadovavo Pieter van Dokkum, panaudojant James Webb kosminio teleskopo (JWST) duomenis, buvo identifikuotas maždaug 200 000 šviesmečių ilgio takas. Šio takelio savybės — spaudimo frontai, išsidėstymo kryptis ir šviesumas — atitinka lūkesčius, susijusius su judačia juodąja skyle; projekcija rodo, kad tai galėtų būti keletą milijonų iki dešimties milijonų kartų Saulės masės objektas, judantis beveik 1 000 km/s greičiu.
Arčiau namų, morfologiniuose NGC 3627 tyrimuose, mokslininkai pranešė apie tiesesnį, bet trumpesnį taką — apie 25 000 šviesmečių ilgio. Modeliai rodo, kad atsakinga juodoji skylė tokiu atveju galėtų turėti maždaug du milijonus Saulės masių ir judėti maždaug 300 km/s greičiu. Šie duomenys patraukia antraštes, tačiau tikroji reikšmė slypi tolydžioje sutapimo ryšyje tarp teorijos, gravitacinių bangų katalogų ir aukštos raiškos vaizdų.
Pastebėjimų interpretacijoje svarbūs keli aspektai: takelio ilgio ir šviesumo profilis, dujų ir žvaigždžių tankio pasikeitimai, spektroskopiniai požymiai, rodantys jaunų žvaigždžių amžių ir greitį, bei radio ir rentgeno spinduliuotės žymės, indikuojančios energingą šoko praeitį. Multispektriniai stebėjimai — nuo infraraudonųjų (JWST) iki radijo imtuvų ir rentgeno — padeda atskirti tikros bėglių juostos požymius nuo mimetinių struktūrų, pavyzdžiui, plokštuminių potvynių ar projekcinių efektų.
Pabėganti juodoji skylė palieka savo praeityje naujų žvaigždžių juostą.
Kodėl tai svarbu
Pabėgančios juodosios skylės keičia mūsų supratimą apie galaktikų augimą ir evoliuciją. Supermasyvi juodoji skylė, ištraukiama iš galaktikos centro, keičia grįžtamojo ryšio mechanizmus — procesus, kurie reguliuoja žvaigždžių formavimąsi ir dujų dinamiką ir taip lemia galaktikos gyvenimo eigą. Ji gali palikti anksčiau ramų branduolį be centrinio variklio arba pasėti žvaigždžių formavimąsi palei taką ten, kur anksčiau jo nebuvo. Kosmologiniais mastais tokie išmetimai veikia, kaip greitai galaktikos „užgesta“ (quench), kaip susiformuoja centrinės juodosios skylių populiacijos ir kur sunkiųjų elementų pernaša paskirstoma tarp galaktikų ir tarpgalaktinių erdvių.
Išskyrus teorinius padarinius, egzistuoja ir praktiniai pastebėjimų bei modelių sinergijos taškai. Pavyzdžiui, jei dauguma supermasyvių galaktikų branduolių kartkartėmis patiria tokias išmetimo fazes, tai gali paaiškinti, kodėl kai kurios galaktikos neturi reikšmingų centrinio akrecijos požymių, arba kodėl tam tikros srities metalėtumas atrodo nukreiptas toliau nuo branduolio. Tokie procesai gali taip pat paskatinti tarpgalaktinį taršos pasiskirstymą ir paveikti galaktikų klasterių cheminę evoliuciją.
Ar viena tokia juodoji skylė galėtų pasirodyti mūsų Saulės sistemoje? Trumpas atsakymas — ne. Tokio įvykio tikimybė yra beveik nulinė. Norint, kad vietinės reikšmės poveikis įvyktų, pabėgęs objektas turėtų būti mažas, išskirtinai tiksliai nutaikytas ir judėti tiesia kolizine trajektorija. Didieji pabėgimai pastebimi tik per platų sutrikimų lauką, kurį jie sukelia kirsdami kitas galaktikas — aiškus požymis, kad tokie svečiai yra reti ir tolimi. Vietinės Saulei pavojingos prognozės yra praktiškai neįmanomos atsižvelgiant į erdvės skalę ir tikimybes.
Ekspertų Įžvalgos
„Šie aptikimai uždaro ratą tarp teorijos ir stebėjimo,“ teigia dr. Elena Rivera, stebimųjų astronomė Kalifornijos astrofizikos institute. „Gravitacinių bangų astronomija prognozavo mechanizmą. Aukštos raiškos vaizdai dabar rodo jo randus ant galaktikų. Kartu jie leidžia žemėlapiuoti anksčiau paslėptą juodųjų skylių populiaciją ir tobulinti galaktikų evoliucijos modelius.“
Dr. Rivera priduria: „Vis dar reikia daugiau daugiabangio tolimesnio stebėjimo, kad atmestume panašias struktūras — tiesines potvynines formas ar projekcinius efektus — bet duomenys atrodo įtikinami. Ateities apžvalgos su JWST ir naujos kartos radijo interferometrais arba kvantitine rentgeno įranga patvirtins, ar tai tikros pabėgusios juodosios skylės, arba privers peržiūrėti alternatyvas. Bet kuri iš šių išvadų giliai praplės mūsų supratimą.“
Pabėganti juodoji skylė yra dramatiškas pavyzdys, kaip energetiškas ir stokastinis gali būti Visatos elgesys. Fizika, išgyvenanti trumpuose, smarkiuose susijungimo įvykiuose — sukimosi ištraukimas, gravitacinės radiacijos asimetrija, atatranka — sieja abstrakčias reliatyvumo lygtis su tomis galaktikomis, kurias galime matyti naktiniame danguje. Nauji apžvalgų projektai išplės imtį. Naujos gravitacinių bangų observatorijos patikslins žudikiškų smūgių dažnį. Ir astronomai toliau skenuos dangų, ieškodami daugiau kosminių pabėgėlių.
Tolimesnės teorinės pastangos taip pat yra būtinos: reikia toliau tirti, kaip dažnai susidaro optimali sukimosi geometrija, kokios yra statistinės masių ir sukimo pasiskirstymo pasekmės populiacijai ir kaip aplinkos savybės — pavyzdžiui, galaktikos dujų kiekis ir potencialo gylis — keičia pabėgimo tikimybę. Kombinuotas požiūris — numerinės reliatyvumo simuliacijos, gravitacinių bangų detektorių duomenų analizė ir daugiašališki elektromagnetiniai stebėjimai — suteiks ryškesnį vaizdą ir padės atskirti tikras pabėglių bangas nuo panašių astronominių struktūrų.
Galiausiai, aptikus ir patvirtinus daugiau pavyzdžių, mokslininkai galės geriau įvertinti, kiek juodųjų skylių prarandama iš galaktikų branduolių per visą Visatos istoriją — informacija, kuri yra svarbi kuriant nuoseklius kosmologinius modelius ir suprantant, kaip formuojasi ir auga supermasyvios juodosios skylės bei jų šeimininkės galaktikos.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą