Juodųjų bedugnių bombos: Ar tai besislapstanti tamsioji materija?

Iš JB sukurta bomba neskamba kaip gera mintis. Vien jau visa, kas pernelyg prisiartina suryjančios esybės įvaizdis nieko gero nelemia. Nesinorėtų, kad ji dar ir sprogtų, užliedama karščiu ir šviesa.

Tačiau, pasak dviejų JAV astrofizikų, būtent kažkas panašaus yra nutikę – ne dabartiniame kosmose, bet senovėje, DS įkarštyje. Tiesą sakant, lazeriu maitinamos JB bombos galėjo sproginėti visoje naujagimėje visatoje.

Jei taip, jos galėtų suteikti mums naują vertingą langą į egzotiškąją fiziką, valdžiusią keistosiomis mūsų visatos pirmosiomis akimirkomis, ir gal taip pat padėti įminti vieną iš didžiausių šiuolaikinių mįslių – kur slepiasi didžioji jos masės dalis. Beprotiška mintis? Galbūt – tačiau geriausia, kad galime patikrinti ją dabar pat.

Kol kas žinome apie dvi skirtingas JB klases. Yra žvaigždinės masės bedugnės, sveriančios nuo kelių iki kelių dešimčių kartų daugiau už Saulę. Jos susiformuoja, kai kolapsuoja labai masyvios žvaigždės, ir, manoma, jos išsibarsčiusios galaktikose, taip pat ir Paukščių Take. Ir yra „supermasyviosios“ JB, sveriančios iki 30 milijardų kartų daugiau už Saulę. Manoma, jos susiformuoja daugumos galaktikų šerdyse – vėlgi, neišskiriant ir mūsiškės, – kai tanki žvaigždžių sankaupa ar dujų debesis kolapsuoja į JB ir ima siurbti medžiagą iš savo aplinkos.

Abi šias JB vienija tokios didelės masės sukaupimas tokioje mažoje erdvėje – erdvėlaikio singuliarume, – kad iš jos gravitacinės traukos niekas nebegali išsilaisvinti. Viskas, kas atsiduria pernelyg arti, įsiurbiama ir niekada nebepasirodo.

Idėja, kad viena iš tų monstrių gali tapti bomba, kilo dar prieš keturis dešimtmečius. 1974 m. fizikos teoretikai Williamas Pressas ir Saul'as Teukolsky'is pastebėjo, kad jeigu JB suktųsi pakankamai greitai, šalia praskriejančios tinkamo ilgio šviesos bangos būtų išsklaidomos, o ne susiurbiamos. Jei šią besisukančią JB gaubtų kažkas panašaus į veidrodį, šviesa būtų atspindima ir išsklaidoma daug kartų. Maitinama besisukančios JB energijos, ji atsispindėtų pirmyn atgal ir stiprintų save panašiai, kaip tai vyksta lazerio kameroje su veidrodžiais. Jei supantys veidrodžiai būtų pašalinti ar suskaldyti, šviesa tuojau pat pasklistų, kaip galingas šviesos ir karščio pliūpsnis – JB bomba.

Mažas didysis susitraukimas

Tai skamba kaip teoretikų išsigalvojimas, bet fizika yra keistas dalykas. Tiesą sakant, būtent tokios sąlygos galėjo egzistuoti visatos kūdikystėje, sako Abrahamas Loebas, Harvardo universiteto astronomijos vadovas. Tai yra, jos galėtų būti trečioji JB klasė, šalia žvaigždinių ir supermasyviųjų.

Tokių „pirmykščių“ juodųjų bedugnių pagrindinis principas paprastas ir idėja sklando jau senokai. Mūsų regimąją visatą supa horizontas, žymintis toliausius taškus, nuo kurių šviesa atkeliavo iki mūsų per 13,8 mlrd. metų nuo DS. Jei materijos tankis šiapus horizonto yra didesnis už kritinį, jos gravitacinė trauka kada nors privers viską kolapsuoti „Didžiajame sugniužime“ – savotiškame atvirkščiame Didžiajame sprogime.

Tas pats būtų pasakytina ir apie pačius anksčiausius visatos momentus. Tada iš bet kurio erdvės taško regimas horizontas užimtų daug mažesnę sritį. Jei kuris nors platesnės visatos regiono tankis būtų didesnis už kritinį, jis pradėtų kolapsuoti. „Visa medžiaga jame – daugiausia fotonai – būtų susitraukę didžiajame sugniužime į pirmykštę JB,“ sako Loebas.

Visatai didėjant, augtų ir galintys kolapsuoti regionai. Kadangi tose srityse daugiau masės, iš jos galinčių susiformuoti JB masė irgi augtų. Tačiau tuo pat metu pakankamo dydžio tankio fluktuacijų tokio kolapso prasidėjimuitikimybė mažta. Tai reiškia, kad jei pirmykštės JB egzistuoja, didžioji jų dalis tikriausiai būtų labai mažos; nuo mikroskopinių, kurių masė mažesnė už Mėnulio iki šaldytuvo dydžio ir Jupiterio masės.

Loebas mano, kad tokios JB gali būti tamsioji materija. Tam, kad standartinė kosmologija veiktų ir galaktikos neišsibarstytų, ši neregima medžiaga regimąją materiją turi lenkti 5,5 karto. Dauguma fizikų mano, kad ją sudaro kol kas nežinomų subatominių dalelių sriuba, bet Loebas mano, kad jie ieško ne ten. „Subatomines daleles numato spekuliatyvios dalelių fizikos teorijos, tuo tarpu mes turime tvirtus observacinius įrodymus, kad egzistuoja įvairiausios masės juodosios bedugnės,“ sako jis. „Nėra taip sunku įsivaizduoti, kad jos yra tamsioji materija.“

Eksperimentai jau nubrėžė kai kurias ribas, kiek įvairaus dydžio pirmykščių JB gali prisidėti prie tamsiosios materijos. Tamsūs objektai, praskriedami prieš žvaigždę, turėtų sustiprinti, „mikrolęšiuoti“ žvaigždės šviesą, ir dėl to žvaigždė turėtų trumpam atrodyti ryškesnė. Įvairūs zondai ieškojo šio efekto ir kol kas užfiksavo labai mažai jo įrodymų. Nuo maždaug 10^-6 Saulės masės pirmykštės JB – maždaug trečdalio Mėnulio – iki 10 Saulės masių, geriausiu atveju gali sudaryti iki 10 procentų tamsiosios materijos.

Kitą ribą nustato prognozė, kad bėgant laikui, JB išgaruoja dėl vadinamosios Hawkingo radiacijos. Pirmykštės JB, kurių masė mažesnė, už vidutinio asteroido, maždaug 10^-8 Saulės masės, iki šiol jau turėjo būti išgaravę. Kadangi astronomai nemato šį reiškinį lydinčių aukštos energijos gama spindulių blyksnių, šios JB negali sudaryti didelės tamsiosios materijos dalies.

Tad, tebelieka neištirtas pirmykščių JB masių ruožas tarp asteroido ir Mėnulio dydžio. Kai kurie jų galėjo sprogti kaip bombos, taip nepalikdami savo buvimo įrodymų. Dėl kunkuliuojančios DS sąlygų, labai tikėtina, kad šios mažutėlės pirmykštės JB atsirado sukdamosis, sako Loebas. „Sunku įsivaizduoti tokį simetrišką kolapsą, iš kurio atsiradusi juodoji bedugnė nesisuktų.“

Taigi, dabar bombos pagaminimui tetrūksta veidrodžio. Ne bėda, DS ugnies kamuolys suteikė ir tai. Nors su ryškia persvara sudarytas iš fotonų – maždaug 10 mlrd. kiekvienai materijos dalelei – jame buvo ir elektronų plazma, besiblaškanti pirmyn atgal natūraliu dažniu. Kol dažnis didesnis už bet kurio su juo susiduriančio fotono, šie bus atspindėti ta kryptimi, iš kur atskriejo. Elektronų plazma apie JB suformuoja fotonus stiprinantį veidrodį.

Svarbiausia, elektronųkunkuliavimo dažnis priklauso nuo jų tankio. Sparčiai besiplečiančioje ankstyvojoje visatoje tankis nuolat mažėjo. Kažkuriuo metu elektronų dažnis sumažėjo iki kritinio dažnio, reikalingo fotonų sulaikymui. Tad jie turėjo išsivaduoti svilinančiais šviesos ir karščio blyksniais. Voilà – juodosios bedugnės bomba.

Regimi ženklai

Tokie įvykiai negali praeiti be regimų pasekmių. „Svarbiausia, juodosios bedugnės bomba išmeta karščio į artimą supančią aplinką,“ sako Loebas. Su kolega Paolo Pani iš Lisabonos technikos universiteto Portugalijoje, jis parodė, kad šis karštis turėtų tebebūti regimas kaip nukrypimai nuo idealaus „juodo kūno“ spektro, kokiu turėtų spinduliuoti kosminis foninis spinduliavimas, DS reliktinis spinduliavimas, dabar persmelkiantis kosmosą stingdančia 2,7 K temperatūra (arxiv.org/abs/1307.5176).

Tai verta ištyrimo idėja, pažymi Johnas Matheris, NASA Goddardo kosminių skrydžių centro Greenbelte, Marylande fizikas, ir vienas iš 2006 Nobelio fizikos premijos už kosminio foninio spinduliavimo tyrinėjimus, laimėtojų. „Netriuriu supratimo, kodėl niekas nepastebėjo to anksčiau. Tai išties įdomu,“ sako jis.

Su tuo sutinka ir Fabio Capela iš Laisvojo universiteto Briuselyje, Belgijoje. „Tai svarbus darbas. Tokia situacija nenagriėta jokioje ankstesnėje analizėje,“ sako jis. Bet tuo pačiu jis ir atsargus. „Visas šis darbas paremtas prielaida, kad pirmykštės juodosios bedugnės susikūrimo metu sukasi,“ sako jis. „Niekas nežino, ar tai tiesa.“

Tad, pažvelkime į KFS ir išsiaiškinkime. Loebas ir Pani jau ieškojo JB bombų sukeltų iškraipymų NASA Cosmic Background Explorer (COBE) palydovo duomenyse, surinktuose 1993 m. Jų analizė praktiškai atmeta galimybę, kad didesniosios pirmykštės JB galėtų sudaryti daugiau, nei 1 procentą trūkstamos juodosios materijos masės, bet tebepalieka tikimybę, kad mažesnės gali sudaryti ją visą. Dabar planuojami eksperimentai dar kruopščiau ištirti KFS. Taip jie turėtų kažką išvysti arba dar labiau susiaurinti paieškų sritį.

Susidomėjimas JB bombomis neapsiriboja tik tamsiąja materija. Stebėjimai rodo, kad žvaigždės masės ir supermasyviosios JB taip pat sukasi. Teoriškai jos taip pat galėtų sukelti lazerio efektą – ne su fotonais, bet su kitomis, kol kas neatrastomis dalelėmis, kurios panašios į fotonus, bet neturinčios nieko bendro su tamsiąja materija. Bet kokie tokių bombų įrodymai – ar jų nebuvimas – susiaurinti tokių dalelių egzistavimo ribas. „Kol kas dar neatlikome bandymo, bet tai labai įmanoma,“ sako Loebas.

Tačiau be jokios abejonės, laukiamiausias laimikis būtų ankstyviausiais DS momentais sukurtų juodųjų bedugnių atradimas. Procesas, galėjęs padidinti ankstyvosios visatos erdvės regionų tankį ir taip sukurti JB, yra būvio pasikeitimas, panašus į perėjimą iš vandens garų į skystį, išlaisvinantį daug šiluminės energijos. Tokių pokyčių įrodymų godžiai ieškoma, kadangi jie nuvestų mus už Standartinio modelio ribų į naują ir gilesnį supratimo lygį. „Tam tikros masės pirmykščių juodųjų bedugnių įrodymai papasakos mums apie labai konkrečiu momentu vykstančius fizinius procesus,“ sako Loebas. „Tai galėtų atverti unikalų langą į egzotiškus pirmųjų visatos akimirkų egzistavimo momentus.“

O tai tikrai būtų bomba.

Marcus Chown yra New Scientist konsultantas. Naujausia jo knyga yra What A Wonderful World: One man's attempt to explain the big stuff (Faber & Faber)

Marcus Chown
New Scientist № 2955