Kada juodoji bedugnė nėra juodoji bedugnė? Tada, kai ji bozonų žvaigždė

Nuostabios, gluminančios ir kiek bauginančios: juodosios bedugnės – mylimi ir nekenčiami mūsų visatos monstrai. Šie nepasotinami kosmoso kanibalai yra konkreti A. Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos, kol kas geriausios turimos gravitacijos teorijos, išdava. Tačiau teoretikai ilgai ginčijosi, ar jos gali egzistuoti – kol astronomai pamatė pirmuosius jų ženklus. Dabar matome JB pėdsakus visur: didžiulėse kolapsuojančiose į save žvaigždėse, tolimuose, bet visatą sudrebinančiuose masyvių objektų susidūrimuose, ir tamsiose galaktikų – įskaitant ir mūsiškį Paukščių Taką – šerdyse.

Šiais metais turėtume gauti esminį įrodymą: pirmąjį tiesioginį supermasyvios Paukščių Tako centro JB vaizdą. Bet kol rengiamės tam, kai kurie fizikai audžia įdomią mintį: o ką, jeigu jos ten nėra?

O ką, jei mūsų susižavėjimas JB apakino mus ir neregime kai ko dar keistesnio – esminio dalelių fizikos fenomeno, kurio svarbos dar nesupratome. Juk yra svari priežastis norėti, kad mūsų galaktikos centre būtų kas tik nori, bet ne juodoji bedugnė. Juk JB skamba kaip visiška nesąmonė kvantų mechanikoje – teorijoje, geriausiai paaiškinančioje viską – išskyrus gravitaciją.

Aišku, kol kas tai spekuliatyvi idėja, bet yra svarių priežasčių panagrinėti ją nuodugniau. „Mes, mokslininkai, esame linkę labai arogantiškai vertinti savo numanomo žinojimo lygį,“ sako fizikos teoretikas Luciano Rezzolla iš Frankfurto pažangiųjų tyrimų instituto Vokietijoje. „Nenoriu po 10 metų atrodyti kaip dar vienas arogantiškas, pernelyg savimi pasitikintis mokslininkas.“

Nepaisant visų keliamų sunkumų, esminis juodosios bedugnės principas itin paprastas. Bendrajame reliatyvume, 1915 metais pateiktoje Einšteino teorijoje, masyvūs objektai apie save išlenkia erdvę ir laiką, taip sukurdami jėgą, kurią vadiname gravitacija. Pakankamai didelės masės, pakankamo tankio objektas,erdvę ir laiką iškreipia taip stipriai, kad neatsargiai prisiartinęs ir kirtęs „įvykių horizonto“ ribą, niekas, netgi šviesa, negali pasprukti. Juodoji bedugnė yra kaip žvaigždiniai vėžių spąstai, tik kad jie niekada neištuštinami, o patekusių vėžių niekas niekados nebepamato.

„Tebėra prizas pasakysiantiems, kas yra juodoji bedugnė“

Kas yra JB viduje, nežino niekas. Remiantis reliatyvumu, atrodytų, viskas, kas tik į ją įkrenta, gravitacijos suspaudžiami į nulinio tūrio ir begalinio tankio „ singuliarumą “, bet prizas tebelaukia galinčio pasakyti, ką tai iš tikrųjų reiškia. O kol kas, teoretikų kruopščiausi skaičiavimai rodo, kad, arba juodosios bedugnės sunaikina informaciją – kas jokiais būdais nesuderinama su kvantų teorija – arba apsupa save burbuliuojančia energijos mase,vadinama ugniasiene, sugriaunančia bendrąjį reliatyvumą. JB reprezentuoja tašką, kur su labai dideliais objektais puikiai susitvarkantis bendrasis reliatyvumas susitinka su itin mažus objektus idealiai aprašančia kvantų teorija – ir čia nieko gražaus.

Tokios problemos išryškėjo dar septintajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje, bet tai nesutrukdė astronomams įsivaizduoti būdų, kaip gamta galėtų sukurti JB. Pavyzdžiui, išsekus masyvios žvaigždės kurui, ji gali savo pačios gravitacijos jėgos būti sugniuždyta į žvaigždinės masės juodąją bedugnę. Toks objektas pagal savo prigimtį būtų juodas kaip smala ir smalos juodumo kosmose būtų nepastebimas, bet savo egzistavimą galėtų išduoti kitaip. Taip 1964 metais Gulbės žvaigždyne buvo atrastas galingas rentgeno spindulių šaltinis. Pavadintas Cyg X-1, jis atrodė lygiai taip, kaip rodė link JB skriejančių karštų dujų skleidžiamo spinduliavimo modeliai. Aštuntojo dešimtmečio pradžioje astronomai jautėsi pakankamai užtikrinti, kad galėtų teigti, jog Cyg X-1 praktiškai užtikrintai yra žvaigždinės masės juodoji bedugnė, ryjanti ją supančią materiją.

Tai dar ne viskas. Ankstyvojoje visatoje, kai gigantiški ūkai traukdamiesi formavo galaktikas, dujos jų centruose galiausiai taip sutankėjo, kad suformavo „supermasyvias“, milijonus ar net milijardus kartų masyvesnes už Saulę juodąsias bedugnes. Manoma, kad Paukščių Tako centre esantis objektas Šaulio A* arba Sgr A*, būtent tai ir yra. Jis buvo aštuntojo dešimtmečio pradžioje, kaip itin stiprus radiobangų signalų šaltinis. Vėlesni tyrimai, ypač gravitacijos poveikio greta skriejančių žvaigždžių orbitoms, įtikino mus, kad tai išties keturių milijonų Saulės masių JB.

Kiti įtikinami, tačiau vis vien netiesioginiai, JB liudijimai gauti pernai, pirmą kartą užfiksavus gravitacines bangas. Šie erdvėlaikio raibuliai randasi, itin masyviems objektams judant su pagreičiu – pavyzdžiui, kai du kūnai artėdami sukasi vienas apie kitą ir galiausiai susiduria. 2015 metais LIGO stebėtas signalas tiksliai atitiko tokį, koks turėtų būti, susidaužiant ir susiliejant dviems žvaigždinės masės JB. Nuo tol LIGO aptiko dar du signalus, atitinkančius žvaigždinės masės JB susijungimą.

„Bozonų žvaigždės kabėtų kaip riestainio formos kosminis tinginio pantis“

Tai jau byla baigta? Ne taip greitai, džiugesį maldo Rezzolla. „Nors dvinarė JB sistema yra akivaizdus ir paprastas paaiškinimas, tai nėra vienintelis paaiškinimas,“ sako jis. O būtent, signalai gali sklisti ne iš JB, bet iš visai kitoniško teorinio išradimo: bozonų žvaigždžių.

Truputėlį pasiaiškinkime. Visos mums įprastą materiją – tave, mane, tariamą JB – sudarančios dalelės priklauso vadinamųjų fermionų klasei. Išskirtinė jų charakteristika – jos paklūsta Paulio draudimo principui, skelbiančiam, kad to paties kvantinės energijos lygmenį gali užimti tik viena dalelė. Paulio principas paaiškina materialųjį pasaulį: jis apsprendžia elektronų išsidėstymą skirtinguose energijos lygmenyse apie atomo branduolį, tad ir įvairių cheminių elementų savybes.

Bozonai – kito miško žvėrys. Higgso bozonas, apie kurio atradimą su fanfaromis paskelbta 2012 metais, yra ko gero labiausiai žinomas jų atstovas. Jis suteikia dalelėms masę; kiti bozonai perneša jėgas, kuriomis gali sąveikauti dalelės. Bozonai nėra egzotika. Tiesą sakant, matome juos nuolat: šviesos fotonai yra bozonai.

Bozonai gali susigrūsti praktiškai neribotai. Užuot sudarę nekontroliuojamą subatominę išprotėjusių fanų gaują, jie iš esmės tampa kolektyvine dalele, materijos būsena, vadinama Bose-Einstein kondensatu.