Amžiaus atradimas pakartotas trečią kartą: fizikos tai nekeičia, bet astronomijoje daug kas griūna ir jau prasideda nauja era

Seniai seniai, tolimame tolimame žvaigždžių spiečiuje … dvi keistos juodosios bedugnės (JB) susiliejo į vieną, išlaisvindamos energijos pliūpsnį, sujudinusį patį erdvėlaikio audinį.

Dabar instrumentai Žemėje pajuto šiuos atsklidusius švelnius tolimo kosminio kataklizmo virpulius, pažymėdami trečią gravitacinių bangų aptikimą. Visi šie užfiksuoti ir Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) pranešti aptikimai atveria naują kosmoso pažinimo langą.

Svarbiausia, šios bangos neša informaciją apie tolimas savo ištakas, ir rezultatai meta iššūkį turimam supratimui apie JB augimą, gyvenamąją vietą ir kaip jos susivijo tokiame nuožmiame mirtiname šokyje.

„Visatoje vis dar pilna paslapčių,“ sako astrofizikas Daryl Haggard iš McGill universiteto. „Manėme, kad žinome, kaip juodosios bedugnės atsirado, o dabar matome, kad dar labai daug erdvės naujiems atradimams.“

Virpulingi susidūrimai

Naujausio JB susidūrimo bangas LIGO aptiko 2017 sausio 4 dieną – maždaug po trijų milijardų metų nuo tada, kai tai iš tiesų įvyko. Gravitacinės bangos nusirito per Žemę ir labai silpnai suvirpino du identiškus lazerių ir veidrodžių įrenginius Hanforde, Vašingtono valstijoje ir Livingstone, Luizianoje.

Bangos suspaudė ir išplėtė erdvę Žemėje vos per dalį protono – vienos iš atomo branduolį sudarančių dalelių – storio. Žmogui to pajusti neįmanoma, tačiau LIGO detektorius toks jautrus,, kad netgi tokie maži virpesiai nepraslysta pro jų lazerines akis.

Atidžiai išanalizavusi signalą, LIGO komanda nustatė, kad tai buvo dviejų, ~30 ir ~19 Saulės masių (M_⨀), JB katastrofiško susidūrimo pėdsakai.

Šios JB per amžius sukosi viena apie kitą, palengva artėdamos viena prie kitos kosmine mirties spirale. Artėjančios JB spinduliavo energiją gravitacinėmis bangomis. O susidurdamos ir susiliedamos, išlaisvino dar daugiau energijos šių kosminių raibulių forma.

Šios kosminės spiralės rezultatas – viena, 50 M_⨀ iškreipto erdvėlaikio juodoji bedugnė, rašo komanda Physical Review Letters žurnale.

Keistai sunkios bedugnės

Pirmieji du LIGO užfiksuoti gravitacinių bangų signalai irgi kilo iš JB susidūrimų. Dviem atvejais iš trijų, JB yra gerokai masyvesnės, nei astrofizikai tikėjosi.

Tai rodo mokslininkams, kad daug, ką jie manė žinantys apie vadinamas žvaigždinės masės JB, nėra visai teisinga.

Žvaigždinės masės JB yra sunkesnių už Saulę žvaigždžių palaikai. Naiviai galima pagalvoti, kad kuo didesnė žvaigždė, tuo didesnė ir liekana. Bet astrofizikoje ne viskas vyksta taip paprasta.

Iš tiesų, kuo didesnė žvaigždė, tuo ji audringesnė ir per jos gyvavimo laiką šėlstantis žvaigždės vėjas svaido materiją į kosmosą. Kai žvaigždei išmuša paskutinioji, ji būna netekusi daug savo masės ir sugniūžta į santykinai mažos masės JB.

Dešimtmečius teorija ir stebėjimų rezultatai rodė, kad žvaigždinių JB masė neturėtų viršyti ~10 M_⨀, sako Steinn Sigurdsson iš Pensilvanijos valstijos universiteto. Bet LIGO rodo daug JB, kurių masė gerokai didesnė už numatytąją ribą – nors ir daug mažesnė už galaktikų centruose įsikūrusių sunkiasvorių.

„Prieš mūsų atradimus, netgi nebuvome tikri, kad šios JB egzistuoja,“ sako LIGO komandos narė Laura Cadonati iš Georgia Tech. Dabar astrofizikai turi ieškoti paaiškinimo, kaip tokie keisti objektai susiformavo.

„Turime išsiaiškinti, kaip galėtume paaiškinti jų masyvumą,“ sako Haggard. „Tai buvo mįslė, kilusi jau ir po pirmojo, 30 M_⨀ JB atradimo – turimi modeliai tokių atvejų visiškai neatmetė, bet šiek tiek stebina. Šios [naujai rastos JB] yra išties masyvios.“

Vienas tokių JB paaiškinimas galėtų būti, kad didelės pradinės žvaigždės buvo sudarytos daugiausiai iš vandenilio ir helio, dėl ko jų keliamas vėjas nebuvo toks intensyvus ir iššvaistė mažiau masės. Kai šios žvaigždės miršta, daugiau masės pereina į JB.

Tokios žvaigždės kadaise buvo paplitusios kamuoliniuose spiečiuose, arba tankiuose itin senų žvaigždžių sankaupose, kurios sukasi apie galaktikas, taip pat ir mūsiškę.

Kovojančios kilmės istorijos?

Kiti LIGO duomenys remia kamuolinių spiečių vaidmens idėją.

Iš gravitacinių bangų signalų LIGO komanda galėjo nustatyti įvairias JB prieš susiliejimą turėtas charakteristikas – įskaitant sukimosi kryptį ir sukimosi ašių orientaciją. Remiantis šia informacija, panašu, kad susidūrimai įvyko kamuoliniuose spiečiuose, sako Cadonati.

Pagal vieną dvinarių JB kilmės teoriją, iš pradžių viena apie kitą sukasi masyvių žvaigždžių pora. Šioms žvaigždės mirus, jų liekanos tebetęsia šokį, dažnai besibaigiantį pora panašaus sukimosi ir orientacijos JB.

Bet naujausi LIGO duomenys rodo, kad ankstesnių JB sukimaisi nelabai suderinti. Gali būti, kad šios JB susiformavo toli viena nuo kitos kamuoliniame spiečiuje. Tada jos nugrimzdo į spiečių centrą, kur ir įsisuko į kosminę mirties spiralę.

Šiuo atveju jų lemtis yra kamuolinio spiečiaus branduolio dinamikos ir chaoso rezultatas, o ne drauge praleistas visas gyvenimas. Toks paaiškinimas turimus duomenis atitinka, bet jokiu būdu nereiškia, kad toks paaiškinimas tėra vienintelis teisingas, pabrėžia Sigurdssonas.

„Asmeniškai pats linkčiau manyti, kad tai vyksta tiek galaktikose, tiek spiečiuose, ir spiečiuose tikriausiai telkiasi didelės masė populiacijos, kurias dabar matome dideliu atstumu,“ svarsto Sigurdssonas.

„Tai jau pradeda rodyti kažką apie šias populiacijas, iš kur jos randasi, ir tai bus pagrindinis ginčų objektas šią vasarą mano rengiamuose darbuose.“

Atsakymus pateiks daugiau LIGO aptikimų – kai kurių tikimasi jau netrukus – ir kai astronomai peržiūrės savo teorijas, kad jos atitiktų stebėjimų duomenis.

LIGO duomenys jau dabar meta iššūkį ne vienai žvaigždžių raidos ir žvaigždžių spiečių idėjai, ir netgi kai kurioms paslaptingosios tamsiosios materijos koncepcijoms, sako Haggard. Bet Einšteino bendroji reliatyvumo teorija laikosi visai neblogai: LIGO duomenys gražiai dera su jos prognozėmis.

„Šių juodųjų bedugnių atsiradimą aprašanti astrofizika yra visiškai sujaukta,“ sako Haggard. „Bet fizika tvarkinga.“

Nadia Drake
news.nationalgeographic.com