Galaktikos centre egzistuoja rekordiškai maža, vos 10 tūkstančių Saulės masių, juodoji skylė: labai svarbus atradimas ir 3 svarbiausios išvados

Žvaigždinių juodųjų skylių masės, kaip galima spėti, yra palyginamos su žvaigždžių masėmis – nuo trijų iki kelių dešimčių ar šimtų Saulės masių. Jos susiformuoja mirštant masyvioms žvaigždėms, supernovų sprogimų metu, vėliau jų masė išaugti gali jungiantis tarpusavyje. Supermasyvios juodosios skylės, randamos galaktikų centruose, yra daug masyvesnės – didžiausiųjų masė viršija 20 milijardų Saulės masių. O štai kokios yra mažiausios supermasyvios juodosios skylės – neaišku.

Ilgą laiką buvo manoma, kad jų masės prasideda nuo kelių šimtų tūkstančių Saulės masių; net kai kurie jų kilmės modeliai remiasi prielaida, kad pradinė šių objektų masė buvo šimtas tūkstančių Saulės masių, o vėliau jos užaugo rydamos dujas, nukrentančias į galaktikų centrus. Tačiau pastaruoju metu atrandame vis mažesnes centrines galaktikų juodąsias skyles. Neseniai pristatyti stebėjimų duomenys, rodantys, kad vienos nykštukinės galaktikos centre egzistuoja rekordiškai maža, vos 10 tūkstančių Saulės masių, juodoji skylė.

Aptikti supermasyvias juodąsias skyles ir išmatuoti jų mases nėra labai paprasta. Kad galėtume tą padaryti patikimai, mums reikia rasti kokį nors objektą – pavyzdžiui žvaigždę ar dujų telkinį – kuris juda veikiamas juodosios skylės gravitacijos. Jei galime išmatuoti, kokiu atstumu ir kokiu greičiu objektas juda, galime lengvai apskaičiuoti ir juodosios skylės masę; dar tikslesnį rezultatą gauname, jei objektų turime daug.

Nustatyti objekto – žvaigždės ar dujų telkinio – judėjimo greitį nėra sudėtinga. Tam naudojame Doplerio efektą – spektro linijų poslinkį priklausomai nuo objekto judėjimo greičio. Jei kūnas nuo mūsų tolsta, jo spektras parausta, jei artėja – pamėlsta. Taigi norint sužinoti judėjimo greitį, užtenka išmatuoti galaktikos centrinės dalies spektrą.

Tačiau išmatuoti atstumą yra gana sudėtinga. Pagrindinė problema yra ta, kad mums reikia rasti objektą, kurio judėjimui įtaką daro beveik vien juodosios skylės gravitacija. Kuo toliau objektas yra nuo juodosios skylės, tuo labiau jo judėjimą nulemia kitų galaktikos komponentų (žvaigždžių, dujų, tamsiosios materijos) kuriama gravitacija.

Regionas, kuriame dominuoja juodosios skylės gravitacija, vadinamas jos įtakos zona. Jos dydis priklauso nuo juodosios skylės masės: kuo ji mažesnė, tuo mažesnė ir įtakos zona. Bet kuriuo atveju, įtakos zonos yra mažytės, lyginant su galaktikomis – vos keleto ar keliolikos parsekų dydžio. Net ir artimiausioje Paukščių Takui didelėje galaktikoje – Andromedoje – vienas parsekas atitinka maždaug ketvirtį kampinės sekundės dangaus skliauto – maždaug kaip boružė kilometro atstumu.

Šiandieniniai teleskopai gali išskirti apie dešimtadalį kampinės sekundės, bet daugybės juodųjų skylių įtakos zonos yra dar mažesnės, ypač kai kalbame apie juodąsias skyles, mažesnes už milijoną Saulės masių.

Žvaigždžių judėjimas mūsų Galaktikos centre. Sekdami jų orbitas, galime labai tiksliai apskaičiuoti centrinės juodosios skylės masę. Kitose galaktikose tokio detalaus vaizdo pamatyti neturime galimybių. Šaltinis: Keck/UCLA Galactic Centre Group

Laimei, yra ir kitas būdas išmatuoti dujų telkinių atstumą nuo juodosios skylės, tik tam reikia, kad aplink juodąją skylę būtų daug karštų dujų, sudarančių akrecinį diską. Disko spinduliuotė nuolatos kinta, o jo skleidžiami fotonai, pasiekę aplinkinius dujų debesis, juos sužadina ir taip pat priverčia spinduliuoti nevienodai. Išmatavę laiko intervalą tarp pokyčių disko bei aplinkinių dujų spinduliuotėje, žinome, kiek laiko šviesa keliavo nuo centro iki debesies – tai vadinama šviesos aidu. Tada belieka laiko tarpą padauginti iš šviesos greičio ir gauname atstumą.

Būtent šis metodas, vadinamas reverberacija, pritaikytas galaktikai NGC 4395. Šviesos aido kelionė joje pasirodė esanti išskirtinai trumpa – vos 83 minutės; įprastai šios trukmės matuojamos dienomis ar net savaitėmis. Taip arti juodosios skylės esančios dujos pasirodė judančios 426 kilometrų per sekundę greičiu. Šių duomenų pakanka apskaičiuoti masei, kuri pasirodė esanti maždaug 10 tūkstančių Saulės masių.

Atradimo reikšmė yra įvairialypė. Viena vertus, jei centrinės galaktikų juodosios skylės gali būti 10 tūkstančių kartų masyvesnės už Saulę, jos negalėjo visos susiformuoti būdamos 100 tūkstančių kartų masyvesnės už mūsų žvaigždę. Taigi kyla klausimas, kaip jos susiformavo: galbūt dalis susiformavo jau labai masyvios, o kitos užaugo iš mažesnių? Galbūt visos galėjo išaugti nuo žvaigždinių masių? Pastaroji hipotezė dažnai vertinama skeptiškai, nes tokioms juodosioms skylėms būtų sunku užaugti iki milijardo Saulės masių per pirmus 700 milijonų metų po Didžiojo sprogimo, o tokias juodąsias skyles reguliariai aptinkame. Visgi jei „didelių pradmenų“ hipotezė pasirodo esanti neteisinga, reikės grįžti prie žvaigždinių pradmenų idėjos.

Kita reikšminga atradimo implikacija – šios juodosios skylės masė su galaktikos savybėmis sutinka taip pat, kaip prognozuoja žinomi didesnėse galaktikose egzistuojantys sąryšiai. Vienas iš svarbiausių tokių sąryšių yra juodosios skylės masės ir tipinio žvaigždžių judėjimo greičio koreliacija. Iki šiol tokia koreliacija tyrinėta tik juodosioms skylėms, kurių masės viršija maždaug milijoną Saulės masių, o ar egzistuoja ir mažesnėse, aišku nebuvo. Nors NGC 4395 yra tik vienas papildomas taškas grafike, jis leidžia spręsti, kad tai, kas galioja didelėse galaktikose, tinka ir nykštukinėms.

Trečia įdomi implikacija – tokios masės juodosios skylės, tiksliau jų aplinka, evoliucionuoja daug greičiau, nei masyvesnių. Apskritai evoliucijos laiko skalės yra maždaug proporcingos juodosios skylės masei, tad jei kažkoks procesas prie milijono Saulės masių juodosios skylės trunka metus, tai prie naujai atrastosios tas pats procesas užtruktų vos pusketvirtos paros. Taigi stebėdami šią juodąją skylę ir aplink ją vykstančius procesus, galėtume žymiai geriau suprasti, kaip evoliucionuoja daug masyvesnės juodosios skylės. Nemažai analogijų išvedama iš žvaigždinės masės juodųjų skylių tyrimų, tačiau pastarosios egzistuoja kitokioje aplinkoje – dvinarėse sistemose su kita žvaigžde, toli nuo galaktikų centrų. Turėdami palyginus mažą juodąją skylę galaktikos centre, galėsime daug detaliau tyrinėti procesus, kurie iki šiol buvo neprieinami dėl savo lėtumo.

Tyrimo rezultatai publikuojami straipsnyje Nature Astronomy.