KTU fizikas apie Visatos didybę: laimei, mūsų galaktikos didžioji juodoji skylė jau seniai „suvalgė“ beveik viską, kas buvo netoliese

Kosminė erdvė – ne tik beribė mirgančių žvaigždžių ir tolimųjų planetų buveinė, bet ir neįmintų paslapčių vieta.

Kauno technologijos universiteto Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto (KTU MGMF) Fizikos katedros docentas ir astrofizikos dėstytojas dr. Vytautas Stankus siūlo pažvelgti į sunkiai suvokiamo dydžio dalykus, kurių dalimi esame ir mes.

– Mokslas vis dar negali atsakyti į klausimą, ar Visata yra beribė. Mokslininkų teigimu, čia yra apie 200 milijardų galaktikų, ir mūsų Paukščių Takas, palyginti su kitomis galaktikomis yra tik mažytis lopinėlis visatos didybėje. Tačiau kaip nustatomos galaktikų ribos, įvertinant tai, kad jos nuolat juda dėl vienų žvaigždžių egzistavimo pabaigos?

Kol kas neįmanoma nusakyti, ar ji ribojasi erdvėje (t. y. ar už jos yra tuštuma), ar ji savo erdvėlaikyje yra uždara. Greičiausiai uždara, nes laikoma, kad didžiojo sprogimo metu susikūrė erdvė ir laikas. Tai, kad mūsų Visata yra ne beribė dar nieko nereiškia – gali būti begalė kitų Visatų, mums šiuo metu nepasiekiamų.

Paukščių Tako matmenys ir ribos nustatomi matuojant atstumus iki joje esančių objektų. Šiuo metu yra net 44 atstumų iki kosminių objektų nustatymo metodai. Visi jie lyginami tarpusavyje. Seniausias yra žvaigždžių paralakso metodas, kurį pasiūlė dar XVI amžiuje danų astronomas Tichas Brahe. Tačiau jis pradėtas naudoti tik XIX amžiuje.

Jau prieš šimtą metų JAV mokslininkas Harlowe Shapley nustatė Paukščių Tako dydį matuodamas atstumus iki tolimiausių žvaigždžių spiečių. Besivystant teleskopams, per visą tą laikotarpį buvo vykdomi įvairūs matavimai, tarp jų ir mokslininko Edvino Hablo atradimas, kad tolimiausios žvaigždės mūsų Galaktikoje yra apie 25 kartus arčiau nei Andromedos galaktika. Šiuo metu „Gaia“ misijos teleskopo dėka yra „suskaičiuota“ 1,7 milijardo žvaigždžių, esančių Paukščių Take. Nustatyti visų jų tipai, atstumai, judėjimo greičiai ir kryptys.

Reikia paminėti, kad tokie matavimai yra labai preciziški ir sudėtingi, kadangi mes esame mūsų galaktikos disko viduje, kuriame be žvaigždžių yra daug tarpžvaigždinių dujų. Šios dujos, nors ir yra labai praretintos (nuo kelių iki kelių tūkstančių atomų litre), blokuoja sklindančią link mūsų šviesą. Tokiu atveju, matavimai atliekami infraraudonajame ruože. Visų žvaigždžių „suskaičiuoti“ vis tiek neįmanoma, tad apie jų skaičių sprendžiama pagal jų orbitinį (ar kampinį) greitį, kuris priklauso nuo bendros galaktikos masės, pagal kurią sprendžiamas žvaigždžių skaičius. Tačiau čia susiduriama su tamsiosios medžiagos problema, kuri tai masei daro labai stiprią įtaką.

Be abejo, žvaigždės juda, ir nors tas judėjimas iš pirmo žvilgsnio gali atrodyti chaotiškas, didžioji dauguma jų sukasi Galaktikos diske, kurio apsisukimo periodas yra 230 mln. Žemės metų. Tad stebimų žvaigždžių vaizdas yra ganėtinai statinis arba lėtai kintantis.

– Kaip vystosi galaktikos, kaip formuojasi jų žvaigždžių populiacijos ir kaip juda dujos?

– Galaktikų vystymąsi reikia sieti su jų atsiradimu. Vertėtų nepamiršti, kad galaktikos yra tik sudedamieji elementai dar didesnių darinių – superspiečių, kurie yra priešpaskutiniai objektai pagal dydį Visatoje. Jie sudaro didžiulį tinklą, kuris yra panašus į korį ar muilo putą, kurios burbuliukų sienelės, atskirtos milžiniškomis tuštumomis, ir yra superspiečiai arba superklasteriai. Superspiečiuje paprastai būna nuo kelių iki keliasdešimt tūkstančių galaktikų.

Pagal dabartinę kosmologijos teoriją, ši porėta struktūra susidarė pradiniuose Visatos atsiradimo momentuose dėl kvantinių fluktuacijų. Visatai besiplečiant, tas korys, kurio sienelėse buvo didesnis medžiagos tankis, taip ir liko iki šiol.

Žvaigždės galaktikose susiskirsto pagal tai, kiek įvairiose zonose (sluoksniuose diske ir jo centre) yra tarpžvaigždinių dujų, kurios yra naujų žvaigždžių susidarymo „statybinė medžiaga“. Tokių dujų daugiausiai yra Galaktikos disko centrinėje plokštumoje, kurioje yra daugiausia jaunų ir masyvių žvaigždžių, kurios gyvena palyginti trumpai.

Tolstant nuo disko „į viršų“ ir „į apačią“ dujų tankis mažėja, lemdamas ir tai, kad tose zonose gimsta mažai žvaigždžių, – masyvios jau išmirė, o liko lengvesnės, ilgaamžės ir senos. Tokių žvaigždžių yra daug ir vadinamame centriniame telkinyje. Pagal tai žvaigždės skirstomos į populiacijas.

– Kokį poveikį žvaigždžių formavimuisi ir dujų judėjimui turi supermasyvios juodosios skylės? 

– Yra įdomus faktas, kad praktiškai visų galaktikų centruose aptinkamos milžiniškos supermasyvios juodosios skylės. Jų masė yra nuo kelių milijonų iki keliasdešimt milijardų Saulės masių ir kai kurios yra labai aktyvios, veikiančios pačias galaktikas. Tokia supermasyvi juodoji skylė, pavadinimu „Sagittarius A*“, yra ir Paukščių Tako galaktikos centre, 26 tūkst. šviesmečių nuotoliu nuo mūsų. Sunkiausia yra paaiškinti jų atsiradimą, nes tokio dydžio objektai stebimi kaip vieni iš tolimiausių, o tai reiškia, kad jie yra labai seni ir susiformavę ankstyvuoju Visatos raidos laikotarpiu.

Pavyzdžiui, tolimiausias aptiktas kvazaras (supermasyvi juodoji skylė apsupta krentančios plazmos) pavadinimu QSO J0313−1806, kurio centre stūkso 1,6 milijardų Saulių masės juodoji bedugnė, yra 30 milijardų šviesmečių nuotoliu nuo mūsų. O tai reiškia, kad jo amžius (kokį mes matome) yra tik 600 milijonų metų, t. y. 4 % Visatos dabartinio amžiaus.

Juodosios skylės paprastai susidaro mirštant didelės masės (5-50 Saulės masių) ir trumpo gyvenimo laikotarpio žvaigždėms. Po mirties jų centruose lieka 5-50 Saulės masių juodosios skylės. Kaip galėjo per ganėtinai trumpą laikotarpį susidaryti milijonų Saulės masių šio tipo objektai – neaišku iki šiol.

Yra kelios teorijos. Viena iš jų teigia, kad ankstyvuoju laikotarpiu mirusių žvaigždžių juodosios skylės greitai jungėsi tarpusavyje, kita teigia, kad pradiniais Visatos laikotarpiais galėjo susidaryti milijonų Saulės masių žvaigždės, kurios, nespėjusios net užsižiebti, staigiai susitraukė. Trečia –  kosmologinė teorija, aiškinanti, kad supermasyvios juodosios skylės susidarė didžiojo sprogimo metu ir liko iki šių dienų kaip taškiniai erdvėlaikio defektai.

Bet kokiu atveju, šiuo metu visiškai aišku, kad tolimieji ir seni kvazarai yra dabartinių galaktikų pirmtakai, kurių milžiniškų juodųjų skylių masės laimėjo gravitacinę kovą su smulkesniais objektais, juos įtraukdamos į savo orbitą.

– Minėjote, kad arčiausiai mūsų juodoji skylė yra už 26 tūkst. šviesmečių. Kaip sparčiai plečiasi juodosios skylės ir ką būtent šios juodosios skylės gravitacija galėtų reikšti mūsų gimtajai planetai – Žemei, kad ir po daugelio metų?

– Reikėtų patikslinti, kad kalbame ne apie „paprastas“, t. y. ne apie juodąsias skyles, kurios susidarė mirus žvaigždei. Tokia artimiausia, pavadinimu Gaia BH1, yra 1,5 tūkst. šviesmečių nuo mūsų. 26 tūkst. šviesmečių nuotoliu, Paukščių Tako galaktikos centre yra supermasyvi juodoji skylė, kurios masė yra 4,3 milijonų Saulės masių, o skersmuo apie 24 milijonų kilometrų.

Tai yra maždaug Merkurijaus orbitos dydis. Juodosios skylės plečiasi ar didėja „rydamos“ bet kokius objektus, kurie papuola į jos gravitacijos pinkles. Tai gali būti ir žvaigždės ar smulkesnės juodosios skylės, neutroninės žvaigždės ir kt., bet dažniausiai tai tarpžvaigždinės dujos.

Stebint kitas, vadinamas aktyvias galaktikas, registruojama, kad apie jas sukasi milžiniškas plazmos verpetas, vadinamas akreciniu disku. Toks sūkurys, veikiamas milžiniško gravitacijos lauko traukiasi, plokštėja ir per sukimosi ašigalius krenta į juodąją skylę. Tačiau prieš krisdamas pasiekia 10 trilijonų laipsnių temperatūrą, kurioje termobranduolinių reakcijų metu išsiskiria milžiniškas energijos kiekis. Įvairių rūšių dalelės, elektronai, protonai ir nauji atomų branduoliai išlekia priešinga juodajai skylei kryptimi ir tas srautas yra dar fokusuojamos akrecinio disko magnetinio lauko.

Susidaro dvi milžiniškos čiurkšlės (angl. galaxy jet arba black hole jet), kurios išlekia statmenai disko sukimosi plokštumai. Jos yra net didesnės už pačias galaktikas. Tokioje čiurkšlėje dalelių, turinčių krūvį ir masę greitis siekia 99,99 % šviesos greičio. Mažai pavydėtina tam kas papuola šio naikinimą nešančio spindulio kelyje.

Laimei, mūsų gimtosios Galaktikos didžioji juodoji skylė jau seniai „suvalgė“ beveik viską, kas buvo netoliese ir yra pakankamai rami. Tiesa, ji turi akrecinį diską, bet jis nėra toks masyvus, kaip aktyviose galaktikose. Neseniai stebėtas jo nedidelis aktyvumas, kuris pasireiškia pastoviai atsirandančiais kelių sekundžių ar dienų trukmės stipriais žybsniais.

Tie žybsniai atsiranda pačiame akreciniame diske, kurio magnetiniai laukai, panašiai kaip ir Saulėje, sąveikauja, naikina vienas kitą išskirdami milžiniškus energijos kiekius. Be abejo, šių procesų mastas yra kitoks nei Saulėje. Įskaitant, kad aktyvumas menkas, o atstumas iki šių „fejerverkų“ kaip minėjau yra tikrai didelis – mums tai jokio pavojaus nekelia.

Prisiminkime, kad Paukščių Take bendra žvaigždžių masė yra kelis šimtus tūkstančių kartų didesnė už ją. O tamsiosios medžiagos masė mūsų Galaktikoje yra bent dešimt kartų didesnė už visų žvaigždžių masę.