Saulės sistemos pakraštyje yra juodoji bedugnė? Greipfruto dydžio objektas gali padėti atskleisti „tamsiąsias Visatos paslaptis“

Už didžiųjų Saulės sistemų pakraščio planetų orbitų plyti didžiuliai tyrai. Daugumos astronomų manymu, joje yra mažų, panašių į Plutoną, ledo pasaulių populiacija, ir kelios tyrėjų grupės ėmėsi šių nykštukinių planetų stebėjimų. Ilgainiui kilo įtarimų, kad ten tūno kažkas didesnio: planeta, kelis kartus masyvesnė už Žemę.

Jie tiki, kad šis hipotetinis a href="https://www.newscientist.com/article/2074961-how-planet-nine-may-have-been-exiled-to-solar-systems-edge/">Devintosios planetos pasaulis išsiduoda, savo gravitacija surikiuodamas tų mažųjų ledinių kūnų orbitas. Tik bėda, kad niekas neįsivaizduoja, kaip tokio dydžio planeta galėjo susiformuoti taip toli nuo Saulės. „Težinome, kad ten yra tam tikros masės objektas,“ sako fizikos teoretikas iš Durhamo universiteto, JK, Jakubas Scholtzas. „Turimi stebėjimai neparodo, koks tai objektas.“

Bet jei tai ne planeta, tai kas? Scholtzas įtaria, kad tai galėtų būti kai kas gerokai egzotiškesnio: didžiojo sprogimo metu susiformavusi pirminė juodoji bedugnė (JB).

Jeigu jis teisus, tai būtų pribloškiamas atradimas. Pirminės juodosios bedugnės atvertų naują langą į visatos pradžią. Jos netgi galėtų sudaryti paslaptingąją, galaktikoms išsibarstyti neleidžiančią tamsiąją materiją. Tad, nieko keisto, kodėl kosmologai taip įdėmiai dairosi po visatos toliu, jų ieškodami. Bet niekas nedrįso nė svajoti tokį dalyką aptikti savo galiniame kieme.

Tad, kyla klausimas, kaip galėtume nustatyti paslaptingojo Saulės sistemos pakraščių gravitacijos šaltinio tikrąją prigimtį?

Juodosios bedugnės yra taip stipriai gravitacijos iškreipti erdvėlaikio regionai, kad net šviesa iš jų ištrūkti negali. Jos buvo prognozuotos, remiantis Alberto Einšteino 1915 metais paskelbtoje bendrojoje reliatyvumo teorijoje. Lygiai po šimto metų jos pirmą kartą buvo aptiktos tiesiogiai, kuomet Lazerinės interferometrijos gravitacinių bangų observatorija (LIGO) užfiksavo dviejų susiliejančių juodųjų bedugnių sukeltus erdvėlaikio raibulius – gravitacines bangas.

Nuo tada LIGO užfiksavo dar pusšimtį tokių įvykių, dauguma kurių nebuvo tokie, kaip tikėtasi. Juodosios bedugnės kilo iš teorijos, ir pagal poveikį gretimai materijai, būna dviejų kategorijų. Didžiausios – supermasyvios juodosios bedugnės esančios praktiškai visų galaktikų, neišskiriant ir mūsiškės, centruose. Jos auga dėl susiliejimų su kitomis JB, ir taip tampa milijonus ar ne milijardus kartų už Saulę masyvesniais gigantais.

Dar yra žvaigždinės masės JB. Jos susidaro, masyvioms žvaigždėms savo gyvenimo ciklo pabaigoje sprogstant kaip supernovoms, ir arčiausiai Žemės tokia yra už maždaug 1 000 šviesmečių. Jų masė įprastai būna 5–15 Saulės masių (M☉), ir dauguma astronomų manė, kad tokias JB dažniausiai LIGO ir fiksuos. Bet 2015 metų atradimas rodė, kad vienos iš susiliejusių JB masė maždaug 35 M☉, o kitos – 30 M☉.

Vėlesni aptikimai teikė vis daugiau, atrodytų, nepaaiškinamos masės JB. GW190814 signale viena JB buvo per masyvi, maždaug 23  M☉, o kita – pernelyg lengva, vos ~2,6 M☉. Tuomet buvo GW190521, kilusi, susidūrus 85 M☉ ir 66 M☉ juodosioms bedugnėms. „Tuos stebėjimus labai sunku paaiškinti, remiantis astrofizikiniais scenarijaus, o štai pirminėmis juodosiomis bedugnėmis – gan paprasta,“ sako kosmologas Sébastien Clesse iš Brussels universiteto Belgijoje.

Mažos ir didelės

Taip yra, nes pirminės juodosios bedugnės turėtų būti įvairiausių masių, netgi iki planetų ir asteroidų masių lygio. Teoriškai jos susiformavo visatos pradžioje, kuomet materija ir energija buvo susipaudusios taip ankštai, kad dėl bet kokių trikdžių konkrečiame erdvės regione tankis galėjo viršyti kritinį ir jis kolapsuotų į JB. Kiekvienos dydis priklausytų nuo susidarymo sąlygų. Tad, turėtų būti įvairiausių dydžių pirminių JB.

Tačiau kadangi LIGO aptiktų JB masės dramatiškai didesnės, pastangos Devintąją planetą priskirti pirminėms JB atrodytų pritemptos. Dabar paslaptingajam gravitacijos šaltiniui už Plutono orbitos priskiriama 5–15 Žemės masių (M🜨). Tokį įvertį Scott Sheppard iš Carnegie mokslo instituto Vašingtone (Kolumbijos apygardoje ir Chad Trujillo iš Šiaurės Arizonos universiteto pirmą kartą gavo 2014 m.

Ir kuo daugiau Scholtzas ir jo kolega James Unwin iš Ilinojaus universiteto mąstė apie Devintosios planetos logistiką, tuo patogiau spekuliavo apie labiau egzotišką scenarijų. Unwinas apie Devintąją planetą išgirdo planetariumo šou Čikagoje. „Manau, jis buvo gan susijaudinęs,“ prisimena Scholtas, „nes paskambino man ir maždaug sako, „Žinote, ok, gal tai planeta ir viskas puiku, bet ką, jei tai kažkas kito? Kas tai galėtų būti?““

Jų mintis užėmė teorinės didelės planetos formavimosi taip toli nuo mūsų žvaigždės problemos. Planetos susidarė iš medžiagos disko, besisukančio apie žvaigždę. Tačiau kuo toliau nuo žvaigždės, tuo disko materija retesnė. Hipotetinės Devintosios planetos atstumu paprasčiausiai neužtektų žaliavos sukurti ką nors tokio masyvaus.

Yra hibridinis scenarijus, pagal kurį Devintoji planeta susiformavo daug arčiau ir į tamsiuosius tolius ją išsviedė Jupiterio ar Saturno gravitacija. Bet ir šiuo atveju kyla problema, nes vieno stumtelėjimo nepakaktų. Tam, kad Devintoji planeta negrįžtų ten, kur ji iš pradžių susiformavo, reikėtų visos serijos stumtelėjimų – o tai Scholtzui atrodo pernelyg daug sutapimų, ar bent jau rimtas pagrindas svarstyti alternatyvias galimybes.

„Nagrinėjant Devintosios planetos susidarymo scenarijus, man jie regisi keliantys daug klausimų,“ sako Scholtzas. Jo dėmesį į galimybę, kad paslaptingoji masė mūsų planetos paribiuose gali būti pirminė juodoji bedugnė, patraukė kitas įdomus, daug toliau praeitin žvelgiančių astronomų pastebėjimas.

„Ši senovinė juodoji bedugnė būtų maždaug greipfruto dydžio”

Optinis gravitacinio lęšiavimo eksperimentas (Optical Gravitational Lensing Experiment – OGLE), stebėjimus vykdantis Las Campanas observatorijoje Čilėje, stebi žvaigždes Paukščių Tako centre, ieškodamas netikėtų gravitacinio mikrolęšiavimo sukeltų jų ryškumo sustiprėjimų. Šis reiškinys vyksta, kai šaltinio šviesą sustiprina regėjimo linijoje esantis objektas, kuris kitu atveju yra pernelyg mažas ar blyškus, kad būtų matomas. Šie objektai gali pasireikšti, jų orbitoms laikinai atsidūrus tiesėje tarp Žemės ir galaktikos centro – tuomet gravitacija šviesą sufokusuoja ir žvaigždė atrodo ryškesnė. Kuo trumpiau šis sustiprėjimas trunka, tuo užstojančio objekto masė mažesnė.

Iš 2600 OGLE aptiktų mikrolęšiavimo įvykių nuo 2010 iki 2015 metų, šeši buvo „ultratrumpi“, netrukę nė pusdienio. Przemek Mroz iš Varšuvos universiteto observatorijos Lenkijoje su kolegomis iškėlė mintį, kad tai buvo tarpžvaigždinėje erdvėje laisvai skriejančios planetos, nepriklausančios kuriai nors planetų sistemai. Bet 2019 metų straipsnyje Hiroko Niikura iš Tokijo universiteto su kolegomis parodė, kad šiuos signalus galėjo nesunkiai sukelti ir kelių Žemės masių dydžio pirminės juodosios bedugnės.

Scholtzas šiame straipsnyje pastebėjo kai ką įdomaus: Saulės sistemos pakraščių minipasaulių išsirikiavimas rodė esant panašios masės, kaip ir trumpų mikrolęšiavimo įvykių atveju, objektą. Žinoma, tai galėjo būti paprasčiausias atsitiktinumas. Bet Scholtzui ir Unwinui tai buvo užuomina apie platesnę anksčiau nematytų dangaus kūnų populiaciją. O jei tai nėra planetos, tai vienintelis kitas tinkantis dalykas – pirminės juodosios bedugnės.

2019 metais Scholtzas ir Unwinas paskelbė straipsnį What if Planet 9 is a Primordial Black Hole?. Jame dėstoma, kad tokia juodoji bedugnė būtų vos 9 centimetrų skersmens, maždaug greipfruto dydžio. Be to, jame detalizuojama, kodėl tokia idėja tikėtina, ir viskas remiasi tuo, kaip Devintąją planetą – jei tai iš tiesų būtų planeta – reikėtų nuboginti į jos orbitą.

Jei Devintoji planeta susiformavo ne Saulės sistemoje, savo vietoje ji galėjo atsidurti tik pagavus kitoje planetų sistemoje susidariusią, laisvai skrajojančią ir atsitiktinai pro šalį skriejusią planetą. Įvairių tyrėjų grupių vertinimu, toks scenarijus nėra tikėtinas, tačiau nėra ir neįmanomas. Savo straipsnyje Scholtzas ir Unwinas parodė, kad ne menkesnė tikimybė pagauti pirminę juodąją bedugnę.

Jokių abejonių nekelia tai, kad bet kur rasta pirminė juodoji bedugnė būtų kosminio masto (sic!) įvykis. Jeigu jos, kaip tikimasi, vis dar išsibarsčiusios po kosmosą, tai kelias didžiausias kosmologijos problemas išspręsti galėtų vienu ypu.

Tamsiosios paslaptys

Tarkime, tamsioji materija, galaktikas nuo išsibarstymo laikantys ir jų susidarymą spartinantys „gravitaciniai klijai“. Didžiąją praėjusio pusės amžiaus dalį tyrėjai įsitikinę, kad ji turi būti iš dar neatrastų dalelių: ne iš mums žinomos medžiagos, o keistos, tik gravitacija veikiančios ir su šviesa nesąveikaujančios. Tik bėda, kad, nepaisant eksperimentams per tą laiką išleistų milijardų, dar niekam nepavyko aptikti nė vienos tamsiosios materijos dalelės.

Pastaraisiais metais tyrėjai ėmė ginčytis, ar ji galėtų būti sudaryta iš pirminių juodųjų bedugnių. Su Juanu Garcia-Bellido Autonomiškame Madrido universitete dirbantis Clesse'as panaudojo LIGO užfiksuotų juodųjų bedugnių susiliejimo tempą įvertinti, kiek senovinių juodųjų bedugnių galėtų būti. Jų vertinimu, bendra jų populiacijos masė galėtų sudaryti reikšmingą visatos masės dalį. „Pirminės juodosios bedugnės galėtų būti tamsiąja materija,“ sako Clesse'as.

Pirmaisiais visatos momentais susiformavusios juodosios bedugnės taip pat padėtų aiškintis, kas vyko, praėjus vos sekundės daliai po didžiojo sprogimo. Tai buvo lemtingas laikas: gamtos jėgos įgijo galutinę formą; atitinkamomis proporcijomis susiformavo materija, antimaterija ir tamsioji materija; vyko pačios erdvės plėtimasis – infliacija – išplėtęs ją eksponentiškai.

Tačiau šią erą tyrinėti neįtikėtinai sunku. Optiniai ir radioteleskopai taip toli praeitin niekuomet nepažvelgs. Jų barjeras ~300 000 metų po didžiojo sprogimo, nes lig tol erdvė buvo užpildyta pernelyg karšta ir tankia plazma, kad ja galėtų netrukdoma sklisti šviesa. Pastangos užfiksuoti toje eroje susidariusius subtilius gravitacinių bangų signalus nepavyko, kai tyrėjus suklaidino Paukščių Tako dulkių efektas.

Kaip visatos gimimo reliktai, pirminės juodosios bedugnės galėtų viską pakeisti. „Staiga atsirastų būdas pažvelgti į ankstesnius laikus, įvykius, kurių jokiais kitais būdais tyrinėti neįmanoma,“ sako García-Bellido.

Tokie įvykiai vyko skirtingu laiku, tad, remiantis teorija, turėjo susidaryti skirtingos masės pirminės juodosios bedugnės. Be to, kiekvienas įvykis būtų paveikęs tuomet susidarančių pirminių juodųjų bedugnių skaičių. Taigi, lygindami skirtingų masių juodųjų bedugnių skaičių, galėtume išsiaiškinti, kas tuomet vyko. Pavyzdžiui, Devintosios planetos masės pirminė juodoji bedugnė rodytų, kad ji tikriausiai susidarė elektrosilpnosios sąveikos kitimo momentu, kuomet elektromagnetizmas atsiskyrė nuo silpnosios sąveikos.

Bet dar ne metas per šį langą žvelgti į kosmoso istoriją – pirmiausia reikia parodyti, kad Saulės sistemoje iš tiesų yra juodoji bedugnė, o tai reiškia, kad reikia imtis naujų paieškų, kurias reikia atlikti kitaip, nei ieškant numanomos planetos.

Optiniais teleskopais juodosios bedugnės išvysti nepavyks. Rentgeno teleskopais – galima tikėtis kažką išvysti, nes į juodąją bedugnę krentanti materija įkaistų ir skleistų rentgeno spinduliuotę. Tik bėda, kad tokie blyksniai būtų trumpi ir reikėtų žvelgti tiksliai reikiama kryptimi tiksliai reikiamu laiku.

Dar yra kita rentgeno spindulių signalo galimybė, – jei tamsioji materija iš tiesų sudaryta iš egzotiškų dalelių, kurios susiliesdamos anihiliuoja. Tuomet tamsioji materija turėtų būti linkusi speistis aplink juodąją bedugnę. Dėl anihiliacijos, sklistų pastovus rentgeno ar gama spindulių srautas, brėžiantis danguje juodosios bedugnės orbitą.

Įmanoma misija

Turbūt geriausia pirminę juodąją bedugnę surasti, ieškant to, ko šiems objektams tikrai netrūksta: gravitacijos. Būtent čia scenoje pasirodo Slava Turyshevas iš NASA reaktyvinės traukos laboratorijos Kalifornijoje. Jis pasiūlė šio gravitacijos šaltinio prigimtį aiškintis mažų erdvėlaivių flotile. Mintis yra iš jų numatytos trajektorijos pokyčių nustatyti, koks masyvus objektas ten ytra – planeta ar juodoji bedugnė. Taip būtų gauta tiksli vieta, į kurią būtų galima nukreipti teleskopus. Jei išvystume švieselę, tai planeta, jei ne – juodoji bedugnė.

Naujame straipsnyje, Turyshevas su keliais kolegomis pažymi, kad dėl palydovų miniatiūrizacijos ir galimybės naudoti saulės bures tokios misijos tampa įmanomos.

Saulės burėmis varomam erdvėlaiviui nereikia kuro, jį stumia į burę krentančios šviesos dalelių momentas.

Iš pradžių prisiartinę prie Saulės, jie gautų postūmį, iki Neptūno orbitos juos nusiųsiantį maždaug per metus. „Tai yra apie 10 kartų greičiau, nei įmanoma, naudojant cheminį kurą,“ sako Turyshevas.

Kol kas tokia misija tvirtai įsitaisiusi braižybos lentoje. Iš tiesų, kai kurie astronomai nėra tikri, kad kokio nors pavidalo Devintoji planeta iš tiesų ten yra. Anksčiau šiais metais, Kevin Napier iš Michigano universiteto su kolegomis publikavo analizę, pagal kurią mažesnių nykštukinių planetų išsirikiavimas, kuriuo grindžiamas devintosios planetos egzistavimas yra tiesiog statistinis artefaktas, išsivadėsiantis, kai bus surinkta daugiau kokybiškų duomenų.

Kol kas reikėtų grįžti ten, kur pradėjome: žymėti mažus ledinius mūsų planetų sistemos pakraščių pasaulius ir nustatyti, ar Devintoji planeta – ar kas nors kita – ten egzistuoja. Šią sunkią užduotį turėtų palengvinti Vera. C. Rubin observatorija Čilėje, kuri turėtų pradėti veikti jau šiemet. Tikimasi ja atrasti dešimtis tūkstančių šių mažųjų kūnų ir smarkiai padidinti imtį. Šių objektų orbitos kartą ir visiems laikams parodys, ar ten yra planetos masės objektas. Astronomai netgi galės tiksliai numatyti jo vietą, kad būtų galima ten nukreipti teleskopą ir pažvelgti atidžiau.

Jeigu per jį išvysime planetą, tai bus itin svarbu. Jei nepamatysime nieko, o gravitacinė anomalija nedings, teks kelti Saulės bures.

Stuart Clark
www.newscientist.com