Atomo dydžio pirmapradės juodosios bedugnės: ką rodo nauji eksperimentiniai duomenys (Video)

Nuo seniausių laikų žmonėms magėjo paaiškinti netikėčiausius ir keisčiausius visatoa reiškinius. Nors astronomija užsiėmė visos civilizacijos, sunkiau numatomi astronominiai reiškiniai, kaip kometos ar užtemimai, buvo laikomi „nelaimės ženklu“ ir/ar „dievų veikla.“

Anglosaksų karaliaus Haraldo II žūtis 1066 metais, per Vilhelmo I Užkariautojo vadovaujamą normandų įsiveržimą buvo aiškinama kaip praskriejusios kometos blogas ženklas (vėliau ši kometa pavadinta „Halio“). O per 939 metais tarp León Ramiro II ir kalifo Ad al-Rahman vykusį S imanco mūšį (Valladolid, Ispanija), visiškas Saulės užtemimas sukėlė abiejų pusių karių paniką, ir mūšis buvo kelioms dienoms atidėtas.

Kaip mūsų protėviai sureaguotų į tai, kad visatoje yra objektų – vadinamų juodųjų bedugnių – galinčių praryti viską, kas tik į jas nukrenta, netgi šviesą?

Nors didžiausio juodosios bedugnės jau aptiktos ir netgi nufotografuotos, yra tikėtina – kaip rodau savo nesename tyrime, – kad yra mažos, kalio atomo skersmens juodosios bedugnės (kurių spindulys yra apie 0,23 nanometro, 0,23×10⁻₉m). Šios atomo dydžio juodosios bedugnės susiformavo pirmaisiais Didžiojo Sprogimo momentais, ir netgi gali sudaryti visatos juodąją materiją.

Nuotraukos

2019 metais aštuonių, skirtingose pasaulio vietose stovinčių teleskopų sandarbiui pirmą kartą pavyko nufotografuoti gigantišką (6,5 mlrd 𝑴☉) juodąją bedugnę. Ji yra už maždaug 55 milijonų šviesmečių (šviesmetis yra maždaug 9,5 trilijonai kilometrų), Messier 87 galaktikos centre.

Žodis nufotografuota kursyvu parašyta neatsitiktinai: kaip galima nufotografuoti objektą, kuris neskleidžia šviesos, tad, atvaizdus šviesa kuriantiems aparatams yra nematomas? Atsakymas paprastas: stebimi ne pačios juodosios bedugnės, o į jas krentančių žvaigždžių likučiai.

Žvaigždžių medžiaga sukasi apie juodąją bedugnę didžiuliu greičiu ir švyti įkaitusi iki milijonų laipsnių. Toks besisukantis materijos diskas vadinamas „akrecijos disku“ ir laikomas juodosios bedugnės pakraščiu – jį peržengus, kelio atgal nebėra, tai vadinamasis įvykių horizontas.

Aukščiau esančiame paveikslėlyje matomas M87 JB akrecijos diskas ir įvykių horizonto atvaizdas.

Pirminės juodosios bedugnės

Nemažai visatos JB susiformavo, gravitaciškai kolapsuojant visą kurą sudeginusioms žvaigždėms: tai – „žvaigždinės juodosios bedugnės“. Ne visų žvaigždžių gyvenimas užsibaigs, tapus juodąją bedugne; jei žvaigždės branduolio masė nesiekia dviejų ar trijų Saulės masių, žvaigždinė juodoji bedugnė susiformuoti negali.

Tai yra, lengvesnės nei minimali masė žvaigždės juodąja bedugne tapti negali. Pavyzdžiui, mūsų Saulė juodąja bedugne netaps, bet tokios masyvios kaip raudonoji supermilžinė Betelgeizė juodąja bedugne taps neišvengiamai.

Yra dar „primityvios“ arba „pirminės“ juodosios bedugnės, kurios – kaip rodo jų pavadinimas – buvo sukurtos pirmosiomis Didžiojo Sprogimo akimirkomis, pačioje pradžioje, kai visata radosi ir joje teoriškai galėjo būti bet kokia masė. Jos gali būti nuo subatominių dalelių dydžio iki kelių šimtų kilometrų skersmens.

Jei supermasyvios juodosios bedugnės praktiškai visai nespinduliuoja, tai mažosios spinduliuoja stipriausiai. Bet kaip tai įmanoma?

Atsakymą aštuntojo dešimtmečio viduryje pateikė fizikas Stephenas Hawkingas. Jis postulavo, kad dėl kvantinių efektų šalia juodosios bedugnės įvykių horizonto gali rastis dalelės, kurios nuo jos pasprunka. Tai yra, juodosios bedugnės, į kurias jokia masė nekrenta praras masę vis greičiau ir galiausiai išgaruos.

Stipresnis yra mažos masės juodųjų bedugnių Hawkingo spinduliavimas: milijono Saulės masių supermasyvi juodoji bedugnė išgaruotų per 36×10⁹¹ sekundes (daug ilgiau, nei dabartinis visatos amžius).

Tuo tarpu 1 000 tonų masės juodoji bedugnė išgaruotų per maždaug 46 sekundes.

Paskutiniosiose juodosios bedugnės garavimo stadijose įvyktų sprogimas, sukuriantis daugybę gama spindulių.

Atomo dydžio eilės pirminės juodosios bedugnės

O tai kaip tada atomo dydžio juodosios bedugnės gali būti užfiksuotos, kol dar neišgaravo visiškai?

Naujame atomų dydžio juodųjų bedugnių tyrime, nagrinėjamas scenarijus, kad vieną iš tokių mažų juodųjų bedugnių sugauna supermasyvi. Atomo dydžio juodosios bedugnei artėjant prie superdidelės įvykių horizonto, Hawkingo spinduliavimo dalis, kuris gali būti užfiksuotas iš Žemės, vis mažėja, kol galiausiai susitraukia iki šviesos spindulio.

Animacijoje procesas demonstruojamas detaliau.

Atomo dydžio pirminės juodosios bedugnės kritimas į supermasyvią juodąją bedugnę.

Toks spindulys atitinka terminį gama spindulių blyksnį (GRB) kokie fiksuojami astronomijos observatorijose. Būtent šie GRB gali būti eksperimentinis tokių mažų juodųjų bedugnių, kurios yra rimtos dar neištirtos tamsiosios materijos kandidatės.

Oscar del Barco Novillo, Profesor asociado en el área de Óptica, Universidad de Murcia
theconversation.com