8 Minutės
Galaktikos centre kybo atkakli šešėlinė zona, kuri atsisako būti paprasta. Jau trisdešimt metų trumpas atsakymas buvo supermasyvi juodoji skylė pavadinimu Sagittarius A*—kompaktiškas, nematomas objektas, kurio trauka verčia aplinkines žvaigždes skrieti plonais, aukšto greičio orbitomis. Tačiau kas, jei tas šešėlis yra metamas kažko subtilesnio: egzotiškos tamsiosios materijos kompaktiško branduolio, imituojančio juodosios skylės trauką be įvykių horizonto?
Radikalus alternatyvus paaiškinimas Sgr A*
Astronomai, stebintys galaktikos centrą, ilgą laiką rėmėsi S‑žvaigždžių grupe (S-stars) — arti centro judančių žvaigždžių su ekscentriškomis orbitomis — kaip dinaminio indikatoriaus tipu. Šios žvaigždės lekia taip greitai — tūkstančiais kilometrų per sekundę — kad tik labai didelė ir kompaktiška masė gali jas prilaikyti tokiuose siauruose, sparčiuose orbituose. Tradiciškai šiai masei buvo priskiriama supermasyvi juodoji skylė. Tačiau tarptautinė mokslininkų grupė pasiūlė kitą veikėją: fermioninę tamsiąją materiją, kuri susikaupia į itin tankų centrinį branduolį ir tuo pačiu sudaro difuzinį halą toliau nuo centro.
Idėja remiasi dalelių fizika ir gravitacija. Fermionai yra dalelės, paklūstančios Pauli išskyrimo principui — pažįstami pavyzdžiai yra elektronai ir protonai — tačiau šiame modelyje fermionai yra hipotetinės, labai lengvos tamsiosios materijos dalelės. Gravitaacija stumia jas link centro, ir, esant tinkamoms masėms bei tankiui, jos gali sudaryti dviejų dalių struktūrą: degeneruotą, itin tankų branduolį, generuojantį stiprią centrinę gravitaciją, ir aplink jį esančią halo dalį, formuojančią galaktikos rotacijos savybes didesniuose atstumuose. Kitaip tariant, viena nuosekli tamsiosios materijos pasiskirstymo schema gali paaiškinti tiek vietinį S‑žvaigždžių chaotiškumą, tiek ramų, plokštesnį Paukščių Tako rotacijos profilį.
Tai elegantiška unifikacija. Vietoje dviejų atskirų reiškinių — atokios juodosios skylės arti centro ir atskiro tamsiosios materijos halo kiloparsekų skalėje — gauname vieną schemą, kuri atkuria pagrindinius stebimus parametrus. Tankus fermioninis branduolys gali stipriai išlinkti šviesą ir nukreipti žvaigždžių šviesą taip, kad tai imituotų klasikinių juodųjų skylių sukeltas orbitas ir optinius efektus. Net G‑šaltiniai — dulkiški, infraraudonųjų spindulių ryškūs objektai arti centro — galėtų būti valdomi ta pačia gravitacine lauko struktūra.
Modelio autorius pabrėžia, kad toks paaiškinimas nereikalauja visų tradicinių juodosios skylės savybių: svarbiausia yra masės koncentracija ir gravitacinis poveikis, o ne privalomas įvykių horizontas. Tačiau ši alternatyva kelia ir naujų klausimų apie tankių branduolių stabilumą, jų susidarymo kanalus ir sąveikas su baryoninėmis (įprastinėmis) materijos formomis, tokiais kaip žvaigždžių susidarymas ar dujų pritekėjimas.
Kaip modelis dera su Galaktika plačiu mastu
Centrinės dinamikos suderinamumas yra būtinas, bet nepakankamas kriterijus. Gyvybingas modelis taip pat turi atkurti Paukščių Tako rotacijos kreivę: kaip orbito greitis kinta priklausomai nuo atstumo iki centro. Naujausias Gaia DR3 duomenų leidimas suteikė smulkesnį rotacijos žemėlapį, atskleidžiantį plačiau Keplerio tipo greičių mažėjimą didesniuose spinduliuose. Toks kritimas yra būtent tas ženklas, kurį sukurtų labiau sumažintas, fermioninis halo, kai jis derinamas su žinoma buliaus (branduolio) ir disko spinduline mase.
Įprasti šaltojo tamsiosios materijos (CDM) halai linkę būti išsidėstę plačiai, su ilgesnėmis, lėčiau krentančiomis uodegomis, kurias aprašo galios dėsniai (power-law). Fermioninis variantas prognozuoja kompaktiškesnį halo, su staigesniu atpjovimu didesniuose spinduliuose. Kai tyrėjai savo skaičiavimuose panaudojo galaktikos spindinę masę (žvaigždes ir dujas) ir pridėjo fermioninį halo komponentą, gauta rotacijos kreivė, kuri gerai sutapo su Gaia matavimais per platų atstumų intervalą.
Tai yra straipsnio kertinis argumentas: ta pati tamsiosios materijos pasiskirstymo konfigūracija paaiškina tiek mikroskopinius (S‑žvaigždžių orbitos), tiek makroskopinius (rotacijos kreivė) elgesio aspektus. Dr. Carlos Argüelles, vienas iš tyrimo bendraautorių, aiškiai formulavo mintį: ryškus, chaotiškas judėjimas arti centro ir švelnus orbitų greičių mažėjimas toliau gali būti tos pačios medžiagos du veidai, o ne du skirtingi dariniai.
Techniniai modeliai remiasi sprendimais, gaunančiais savybių skalę nuo mikroskopinių (degeneracijos slėgis, Fermi energija) iki galaktikinių (masės pasiskirstymas iki kelių kiloparsekų). Tai reikalauja kruopštaus daugiaskalių skaičiavimų — susiejant kvantinius degeneracijos kriterijus su klasikinės gravitacijos pusiausvyra — ir jautrumo pradiniams sąlygoms bei fermionų masei. Tyrėjų analizė parodė, kad egzistuoja parametrų sritis, kurioje modelis vienu metu tenkina S‑žvaigždžių orbitas ir išorinius rotacijos matavimus.
Stebimosios savybės ir juodosios skylės šešėlis
Galbūt provokuojantis teiginys yra tas, kad tankus tamsiosios materijos branduolys gali sukurti šešėlinę savybę, panašią į tą, kurią rodo akrecijos disko apšviesta sritis. Event Horizon Telescope (EHT) vaizdas Sgr A* — centrinė tamsesnė zona, apsupta spindesio žiedo — buvo pristatytas kaip tiesioginis įrodymas apie įvykių horizontą. Tačiau vėlesni modeliavimai rodo, kad kompaktiška, ne visai reliatyvistinė tamsiosios materijos koncentracija taip pat gali stipriai išlinkti šviesą, sukurdama centrinę tamsą, apsuptą ryškesnio žiedo.
Viena svarbi skirtis tarp scenarijų yra fotoninių žiedų (photon rings) generavimas. Tikra juodoji skylė, kurios aplinkoje veikia stiprūs reliatyvistiniai efektai, generuoja susluoksniuotus fotoninius žiedus — siauras, labai lęšiuotas šviesos trajektorijas labai arti įvykių horizonto — kurie turėtų išlikti net didėjant stebėjimo raiškai. Fermioninis branduolys, ypač jei jis nėra visiškai reliatyvistinis ir neturi griežto įvykių horizonto, nesukuria tokių pat identiškų, glaudžiai susluoksniuotų fotoninių žiedų.
Vyr. autorė Valentina Crespi pabrėžia subtilumą: „Mes ne tiesiog keičiame etiketes. Fermioninė konfigūracija atkuria žvaigždžių orbitas, dera su rotacijos duomenimis ir gali sukurti EHT stiliaus šešėlį. Tai nėra elementarios sutaptys.“ Tačiau modeliai skiriasi matomais požymiais, kurie gali būti išmatuoti: fotoninių žiedų profilis, šešėlio detalizacija, laiko kintami potėpiai akrecijos plote ir spektralinės savybės akrecijos spinduliuotėje.
Tokia skirtis suteikia stebėtojams galimybę patikrinti idėją. Instrumentai, tokie kaip GRAVITY ant Very Large Telescope (VLTI) ir būsimieji EHT atnaujinimai, sieks išspręsti fotoninių žiedų struktūrą ir išmatuoti juodosios skylės šešėlio smulkias detales. Jei pasirodys būdingas, įdėtinio pobūdžio fotoninių žiedų modelis, tai bus stiprus argumentas už juodosios skylės interpretaciją. Jei tokio modelio nebus arba bus kitų anomalijų, fermioninio branduolio hipotezė įgis svorio.
Be to, laiko domeno stebėjimai — pvz., laikinė substruktūra šešėlyje ar greitai besikeičianti spindesio modelis akrecijos zonoje — gali atskleisti skirtumus tarp reliatyvistinių akrecijos diskų elgesio ir galimos neakrecinės tamsiosios materijos koncentracijos. Multibandomis stebėjimai (radio, mm, IR, rentgeno) suteiks spektrinį kontekstą, reikalingą atskirti termiškai ar magnetiškai valdomas emisijas nuo grynai gravitacinių linijų nukrypimų.
Ekspertų įžvalga
„Skepticizmas šioje srityje yra sveikas,“ sako dr. Laila Moreno, teorinė astrofizikė, nesusijusi su tyrimu. „Šio darbo stiprybė nėra tai, kad jis akimirksniu paneigia juodosios skylės idėją; jo stiprybė yra tai, kad jis verčia mus iš naujo įvertinti prielaidas, kuriomis remiamės interpretuodami kompakčią masę. Jei vienas tamsiosios materijos pasiskirstymas gali atitikti tiek vidinę, tiek išorinę dinamiką, turime jį rimtai vertinti ir sukurti stebėjimus, kurie leistų šiuos scenarijus griežtai atskirti.“
Modeliuotojai taip pat greitai pabrėžia tolimesnes implikacijas. Jei fermioninė tamsioji materija gali formuoti kompaktiškus branduolius, tai galaktikų centrai per visą kosminę istoriją galėjo turėti panašių struktūrų. Tai pakeistų prognozes apie galaktikų evoliuciją, triukšmingas ir ramias sąveikas, tarpžvaigždinių medžiagų pritekėjimus ir centrinių objektų augimą. Be astronominių pasekmių, toks scenarijus griežtai apribotų dalelių fizikos parametrus: reikalingą dalelių masę, jų sąveikų stiprumą ir susidarymo istoriją reikėtų patikrinti laboratoriniuose ir kosmologiniuose testuose.
Konkrečiai, fermionų masė ir jų kvantinės savybės (pvz., ar jie yra šalto ar šilto tipo, ar turi savitą savaveikes) nulems branduolio spindulį, maksimalų tankį ir stabilumo trukmę. Tokius parametrus galima susieti su galaktinių branduolių matavimais ir astrofiziniais apribojimais, todėl šis požiūris pasižymi aiškiais testuojamais spėjimais.
Kas toliau?
Tolesnis kelias yra stebėjimų ir teorijos sintezė. Aukštos raiškos interferometrija, ilgesnių pagrindinių mm‑bangų stočių tinklai ir dar tikslesnė žvaigždžių astrometrija stums ribas. GRAVITY gali sekti S‑žvaigždes mikroarksekundės tikslumu, ieškodama subtilių nuokrypių nuo Keplerio orbitų, kurie galėtų rodyti neįprastą masės pasiskirstymą. Event Horizon Telescope ir kiti ateities labai ilgų bazinių linijų tinklai (very-long-baseline) ieškos fotoninių žiedų ir laiko kintamos substruktūros šešėlyje. O Gaia kartu su spektriniais tyrimais toliau sulauks ir tikslins išorinę rotacijos kreivę, kurią privalo atkartoti bet koks gyvybingas halo modelis.
Paraleliai teoretikai turi toliau tobulinti fermioninius modelius — tirti jų stabilumą, formavimosi kanalus ir tai, kaip tokie branduoliai sąveikauja su baryoniniais procesais: žvaigždžių formavimu, dujų pritekėjimu ir akrecijos fizika. Reikalingi trijų dimensijų dinaminių simuliacijų serijos ir daugiakomponentiniai modeliai, kurie įtraukia gravitaciją, kvantinę degeneraciją bei magnetohidrodinamiką, kad būtų galima patikimai prognozuoti stebimas savybes.
Klausimas dabar nėra vien tik akademinis: instrumentai ir stebėjimų strategijos, reikalingos patikrinti konkuruojančias vizijas, jau artėja prie veiksmingo pajėgumo. Ar centrinė tamsa pasirodys esanti įvykių horizontas, ar tanki, egzotiška tamsiosios materijos sankaupa? Bet kuri iš atsakymų atvers gilių žinių apie gravitaciją, materiją ir galaktikų architektūrą.
Galiausiai verta pabrėžti, kad abiejų interpretacijų tikslumas priklauso ne tik nuo vieno stebėjimo, bet nuo daugiakanalės, dažninės ir laiko daugialypės analizės. Tiriant Sgr A* problematiką, derėsiančios astrometrijos, interferometrijos, spektrinės analizės ir teorinės fizikos pastangos turės sudaryti bendrą vaizdą, leidžiantį pažinti tai, kas slepiasi galaktikos širdyje.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą