8 Minutės
Įsivaizduokite mūsų galaktikos centrą be įvykių horizonto — jokios ribos, nuo kurios nebebūtų sugrįžimo, jokio praryjamo šviesos spindulio. Keista, ar ne? Keli dešimtmečiai astronomų aiškino ekstremalų Paukščių Tako gravitacinį lauką vienu, kompaktišku paaiškinimu: supermase juodoji skylė, vadinama Sagittarius A*, kurios masė siekia maždaug keturis milijonus Saulės masių. Tačiau naujas tyrimas kviečia mus praplėsti šį vaizdą. O kas, jei masė, kurią atitinkame dėl žvaigždžių orbitų, nėra bedugninis singuliarumas, o tankus, be horizonto prispaustas tamsiosios materijos branduolys?
Duomenys, vedantys link juodosios skylės interpretacijos, yra elegantiški ir paprasti: žvaigždės netoli galaktikos centro suktis siauruose, greituose orbituose. Sekdami šiuos takus mes braižome gravitacinį potencialą. Žvaigždė S2, kuri turi maždaug 16 metų itin elipsinę trajektoriją, tapo tarsi Rosetos akmeniu: jos judesiai, išmatuoti labai dideliu tikslumu, rodo kompaktišką masę ten, kur, kaip manyta, yra Sgr A*. 2022 m. Event Horizon Telescope (EHT) papildė vaizdą vizualiniu dramatizmu, pateikdama vaizdą, primenantį juodosios skylės šešėlį. Įtikinama. Patrauklu. Tačiau nebūtinai vienintelė galimybė.
Event Horizon Telescope (EHT) vaizdas, vaizduojantis Sagittarius A*.
Fermionai, slėgis ir kitokio tipo branduolys
Tamsioji materija yra nematoma visatos sija — ji neskleidžia šviesos ir tiesiogiai neabsorbuoja jos taip, kaip galime matuoti, tačiau jos gravitacinė įtaka formuoja galaktikų architektūrą ir lenkia šviesos spindulius dideliais mastais. Dauguma tamsiosios materijos modelių piešia difuzinį halą, apgaubiantį galaktikas. Tačiau ne visos teorijos yra vienodai išsklaidytos. Viena klasė — fermioninė tamsioji materija — remiasi idėja, kad dalelės yra fermionai ir laikosi Pauli išskyrimo principo: identiški fermionai negali užimti to paties kvantinio būseno. Pasekmė? Degeneracinis slėgis, pažįstamas iš baltųjų nykštukių ir neutroninių žvaigždžių, gali palaikyti kompaktišką, stabilų objektą, sudarytą vien iš tamsiosios materijos dalelių.
Esant tinkamam masei, dalelių savybėms ir sąveikų stiprumui, fermioninė tamsioji materija gali susitelkti į itin tankų branduolį, kurio gravitacinė įtaka stebimų orbitų diapazone imituotų juodosios skylės lauką. Svarbiausia — toks branduolys neturėtų įvykių horizonto. Tai reiškia, kad šviesa galėtų pasišalinti iš artimų sluoksnių, nors jos kelias ir akrecijos srauto, taip pat aplinkinių akrecijos diskų ar žvaigždžių spinduliuotės vaizdas, galėtų skirtis nuo juodosios skylės atvejo subtiliomis, bet išmatuojamomis detalėmis.
Fermioninio branduolio savitumą lemia kelios fizikinės kryptys: dalelių masė, tarpusavio sąveikos (jei jos egzistuoja), ir termodinaminės sąlygos branduolio formavimosi metu. Teoriniai modeliai rodo, kad esant pakankamai lengvoms arba vidutinio masės fermioninėms dalelėms, degeneracinis slėgis gali sėkmingai konkuruoti su gravitacija, sudarydamas stabilias struktūras nuo žvaigždžių iki galaktikų centrų masteliu. Tokie modeliai taip pat įtraukia tankio profilius, kurie skiriasi nuo tradicinių Navarro–Frenk–White (NFW) ar panašių tankio pasiskirstymų, tad jie turi specifinius spėjimus apie skaitmeninius stebėjimus, kaip toli ir kaip tvarkingai krenta apsisukimo kreivės bei kaip keičiasi žvaigždžių orbitos artėjant į centrą.
Kaip žvaigždės ir teleskopai patikrina idėją
Valentina Crespi ir bendraautoriai sukūrė modelį, kuriame centrine mase laikomas kompaktiškas fermioninis branduolys, ir palygino prognozuojamus judėjimus su tų pačių S2 ir kelių kitų vadinamųjų S žvaigždžių stebėjimais. Rezultatas: tiek juodosios skylės modelis, tiek tamsiojo branduolio modelis atkartoja žvaigždžių orbitas beveik vienodai tiksliai. Tai nereiškia, kad fermioninis branduolys egzistuoja; greičiau tai atskleidžia aklumą mūsų dabartiniuose matavimuose. Stebėjimai būtini, bet dar ne lemiami.
Yra ir intriguojantis papildomas duomuo. Gaia misijos plateasmė žvaigždžių judesių žemėlapis Paukščių Take rodo, kad galaktikos periferijoje sukimosi greičiai krenta taip, kaip tikimasi pagal Keplerio dėsnį — kitaip tariant, ten, kur masė yra labiau koncentruota centre, greitis mažėja maždaug kaip r^(-1/2). Tyrėjai teigia, jog didelio masto fermioninis halas, susijungiantis su tankiu centraliniu branduoliu, natūraliai gali išvesti tokią apsisukimo kreivę, tuo pačiu sujungdamas branduolį ir halą kaip vieną tęstinį tamsiosios materijos pasiskirstymą. Jei tai tiesa, kiltų konceptualus poslinkis: centrinis masyvus objektas ir platesnis tamsusis halas nebūtų du atskiri dariniai, o vienos fizikos išraiška vieningoje materijos pasiskirstymo struktūroje.
Tai nėra lengvas ar atmestinas teiginys. Kaip pažymi astrofizikas Carlos Argüelles iš La Platos astrofizikos instituto: „Mes ne tik keičiam juodąją skylę tamsiu objektu; mes siūlome, jog supermasyvus centras ir galaktikos tamsiojo halas yra tos pačios, tęstinės medžiagos dvi apraiškos.“ Šita kalba yra apgalvota: ji pateikia hipotezę kaip paaiškinimo ekonomiką, o ne pritemptą alternatyvą.
Iš kur ateis lemiami testai? Vienas kelias yra patobulinta žvaigždžių astrometrija: sekti žvaigždes, kurios sukasi dar arčiau už S2. Subtilūs pericentro poslinkiai, nedidelės trajektorijų deviacijos, relatyvistinės precesijos skirtumai — visa tai gali parodyti, ar centrinė masė turi absorbuojantį horizonto paviršių, ar slėgiu palaikomą arba kietą paviršių. Kitas kelias yra tiesioginė vaizdinė informacija. Event Horizon Telescope programa dar nebaigė darbo; aukštesnės skiriamosios gebos ir geresnės jautrios taktikos vaizdai gali atskleisti gerai apibrėžtą fotonų žiedą ir šešėlio morfologiją, kurie yra šviesos spąstų prie įvykių horizonto požymiai. Priešingai, be horizonto egzistuojantis tamsus branduolys gali pakeisti arba suminkštinti tuos bruožus — pavyzdžiui, sumažinti šešėlio kontrastą arba pakeisti laikinus flarų (spinduliuotės padidėjimų) tempo duomenis.
Be to, kitos stebėjimo platformos prisideda prie testavimo repertoaro: radijo interferometrija ilgo bazinio atstumo (VLBI) ir infraraudonųjų spindulių interferometrija gali sekti žvaigždes ar dujų srautus tiesiogiai ar per akrecijos fenomenus, o rentgeno ir gama spindulių observatorijos gali užfiksuoti flarų energetiką ir laiko struktūrą. Kiekvienas instrumentas atneša skirtingą jautrumą ir skirtingus sisteminius apribojimus, todėl suderinti tarpdisciplininius duomenis yra esminė strategija, siekiant atskirti juodosios skylės modelį nuo fermioninio branduolio alternatyvos.
Ekspertų įžvalgos
„Esame lemiamų matavimų riba,“ sako dr. Lina Morales, fikcinė astrofizikė ir instrumentologė, tyrinėjanti kompaktiškus objektus. „Skirtumas tarp horizonto ir paviršiaus atsiskleidžia detalėse: flarų laiko struktūroje, fotonų žiedo smulkiojoje sandaroje ir to, kaip dujos elgiasi artėdamos prie centro. Kiekvienas papildomas stebėjimas siaurina modelių erdvę. Jei fermioninis branduolys atitiks visus naujus ribinius duomenis, turėsime jį rimtai vertinti. Jei ne, juodosios skylės modelis išlaikys savo poziciją.“
Praktinės pasekmės siekia toliau nei vien taksonomija. Centrinė masė be horizonto pakeistų akrecijos srautų modeliavimą, stulpelių ir džetų paleidimo mechaniką bei energijos grįžtamąjį ryšį į vidinę galaktikos dalį. Tai pakeistų spėjimus apie gravitacinių bangų emisiją iš ekstremalių įsiurbimų (extreme mass-ratio inspirals, EMRIs), kurie yra itin jautrūs centrinių masių struktūrai, ir perkeltų ribas tamsiosios materijos dalelių savybėms, tokioms kaip masė ir sklidimo ilgis. Reikšmė didelė: interpretacija grįžta į galaktikų formavimosi ir evoliucijos modelius, kurie naudoja centrinės masės prielaidas kaip pagrindinius parametrus.
Vis dėlto niekas iš to neturėtų būti suprantama kaip juodųjų skylių fizikos paneigimas. Bendroji reliatyvumo teorija juodąsias skyles numato labai tvirtai ir juodųjų skylių hipotezė išlieka paprasčiausiu paaiškinimu daugeliui duomenų rinkinių. Fermioninių branduolių modeliai tiesiog išplečia priimtinų fizinių paaiškinimų rinkinį ir reikalauja griežtesnių duomenų: arčiau esančių žvaigždžių orbitų matavimų, didesnės skiriamosios gebos milimetrinių bangų vaizdų ir gilesnių galaktikos sukimosi tyrimų.
Gyvename duomenimis pasižyminčioje eroje. Instrumentai sparčiai gerėja: Gaia misija toliau rafinuos Paukščių Tako žemėlapį, EHT sieks dar smulkesnių vaizdinių detalių, o infraraudonųjų spindulių interferometrai (pvz., GRAVITY instrumentas ant ESO VLTI) stebės žvaigždes dar arčiau centro. Per dešimtmečius — galbūt per du — skirtumas tarp įvykių horizonto ir kompaktiško tamsiojo branduolio gali tapti ne filosofiniu, o stebėtinu faktu. Vienaip ar kitaip, tai bus empirinis sprendimas.
Kol kas Paukščių Takas saugo savo paslaptį. Tačiau kuo daugiau ir kruopščiau stebime, tuo didesnė tikimybė sužinoti, ar centrinė varomoji jėga yra nematoma tamsiųjų fermionų žvaigždė, ar viską ryjanti juodoji skylė. Bet koks atskleidimas reikšmingai pertvarkytų mūsų supratimą apie galaktikas ir tamsiąją materiją, atverdami naujas teorines ir stebėjimo galimybes — nuo dalelių fizikos iki kosmologijos.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą