Kosmoso mįslių apžvalga

Ar ga­li­ma pe­rei­ti kiau­rai per juo­dą­ją be­dug­nę, o kirm­grau­žos – bū­ti su­kur­tos atei­vių ci­vi­li­za­ci­jos, kaip pa­ro­dy­ta fil­me „In­ter­stell­ar“? Kas ben­dro tarp neu­tro­ni­nės žvaigž­dės ir juo­do­sios be­dug­nės? Kaip bu­vo at­ras­tos neu­tro­ni­nės žvaig­ždės ir ar ga­li eg­zis­tuo­ti Sau­lės sis­te­mos pa­kraš­čiuo­se dar vie­na di­de­lė ak­me­ni­nė pla­ne­ta? Apie tai ir dar daug ką mums pa­pa­sa­ko­jo žy­mus as­tro­fi­zi­kas Ser­ge­jus Po­po­vas.

– Kaip buvo atrastos neutroninės žvaigždės?

– Jos buvo atrastos gan dramatiškai. Pirmiausia, reikia paminėti, kad jos buvo numatytos praėjusio amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje. Bet jų ieškoti niekas nepuolė, nes pagal prognozę, tai turėjo būti maži karšti objektai, kuriuos to meto technologija sunku aptikti. Paskui neutroninės žvaigždės buvo atrastos pirmaisiais stebėjimais rentgeno spindulių diapazone, tačiau jų neatpažino. Ką turu omeny? Tie šaltiniai neturėjo jokių specialių žymų, pagal kurias būtų galima labai greitai nustatyti, kokie tai objektai. Tad galiausiai juos atrado atsitiktinai – kaip radiopulsarus. Žmonės tiesiog tyrinėjo šaltinių blykčiojimą kosminėje plazmoje ir vieno iš šių šaltinių signalas pasirodė labai periodiškas – impulsai kartojosi labai tiksliai.

Toliau. 1967 metais stebėjimus atliko tada dar niekam nežinoma aspirantė Jocelyn Bell Burnell. Iš pradžių ja niekas nepatikėjo, juk į radijo bangų diapazoną lengvai gali pakliūti kokie nors antžeminiai šaltiniai. Tačiau aiškus šaltinio buvimo vietos kitimo periodiškumas rodė, kad tai visgi astronominis objektas, ir tada nusprendė, kad tai dirbtinis nežemiškas signalas. Tokioje situacijoje tai gana logiškas spėjimas, juolab, ši tema tuo metu buvo itin populiari.

Tačiau greitai buvo aptikta dar keletas tokių šaltinių, pasižyminčių skirtingais periodais. Pasidarė aišku, kad tai ne dirbtinis signalas, o tiesiog nauja astronominių objektų klasė. Manyta, kad tai arba besisukančios neutroninės žvaigždės, arba pulsuojančios baltosios nykštukės. Tik šie objektai gali sukurti tokį tikslų trumpą – sekundės dalių – periodą.

Bet egzistuoja dvi paprastos prognozės. Norėdami suprasti, kokie turėtų būti baltosios nykštukės svyravimai, paimkite gerai atšokantį kamuolį, paleiskite jį ir žiūrėkite, kaip jis atšoka vis į mažesnį aukštį. Įsitikinsite, kad tuo pačiu svyravimų dažnis auga – bumbsėjimas bus vis dažnesnis.

Jeigu tai neutroninės žvaigždės sukimasis, tai jis vis lėtės. Pasukite kamuolį ant stalo – išvysite, kad jis sukasi vis lėčiau. Jei pulsarai yra neutroninės žvaigždės, jų signalo periodas turėtų didėti. Stebėjimai parodė, kad periodas išties ilgėja. Tada ir išaiškėjo, kad prieš mus – neutroninės žvaigždės.

Paskui įvyko, kaip manoma, pati didžiausia iš akivaizdžių Nobelio komiteto klaidų: Jocelyn Bell Burnell Nobelio premijos negavo, ji buvo įteikta jos projekto vadovui Antony'iui Hewishui, formaliai ne už radiopulsarų atradimą, o už svarų indėlį į radioastronomijos vystymąsi, nors visi suprato, kad šis didelis indėlis visų pirma, susijęs su radiopulsarų atradimą.

Štai taip buvo atrastos neutroninės žvaigždės.

Teleskopo WISE nuotraukoje – neutroninė žvaigždė, judanti neįtikėtinai dideliu greičiu – apie 4 800 000 km/s. Dėl savo rekordinio greičio ji praminta „kosminiu patrankos sviediniu“

– Kas bendro tarp neutroninės žvaigždės ir juodosios bedugnės?

– Reikalas tas, kad neutroninės žvaigždės – labai gerai apibrėžta klasė objektų, atsirandančių galutinėse žvaigždžių evoliucijos stadijose ir realiomis astrofizinėmis sąlygomis jų masė maždaug lygi vienai – trims Saulės masėms (s.m.).

Juodosios bedugnės – labai plati objektų klasė ta prasme, kad jie gali būti gerai apibrėžti kaip erdvės sritys, kurių viduje vykstantys įvykiai negali daryti įtakos įvykiams išoriniams, tai yra, sritims atskirtomis įvykių horizontu. Tačiau šių sričių matmenys ir kilmė gali būti ko įvairiausia. Todėl gali egzistuoti gigantiškos, supermasyvios juodosios bedugnės, kurių masė už Saulės didesnė dešimtis milijardų kartų, ir, žinoma, jos tampa visiškai nepanašios į neutronines žvaigždes. O gali būti ir pirminės JB, atsiradusios Visatos egzistavimo aušroje. Mase ji gali prilygti asteroidui, o dydžiu, pavyzdžiui, protonui. Bet vienas iš žinomiausių JB tipų, kaip ir neutroninės žvaigždės, yra finalinis žvaigždžių raidos produktas. Masyvios žvaigždės po supernovos sprogimo paprastai tampa arba neutroninėmis žvaigždėmis, arba juodosiomis bedugnėmis. Ir tik tokių objektų galima išvysti tokį ryšį, apie kurį kalbate. Iš tiesų, galime paimti neutroninę žvaigždę, palengva tiekti jai medžiagą ir laikui bėgant, kai jos masė viršys kritinę reikšmę, ji kolapsuos į juodąją bedugnę. Tačiau, kaip bebūtų, tai gana skirtingos objektų klasės.

– Beje, neseniai mokslininkai išsiaiškino, kiek „sveria“ senovinė juodoji bedugnė, atrasta 2013 metais.

Šviesa nuo jos skriejo iki mūsų 12,9 mlrd metų, tai yra, ji radosi Visatos egzistavimo aušroje. Jos masė, kaip paaiškėjo – 12 mlrd s. m. Paprastai senovinių JB masė būna ne itin didelė, nes jų formavimuisi reikia laiko ir medžiagos.

– Kokios yra hipotezės, aiškinančios tokių senų JB masę?

– Čia jau svarbus kiekybinis skirtumas. Įsivaizduokite pasiturintį žmogų, mokantį didelius mokesčius, iš kurių atrodo, kad jam derėtų turėti Porsche Cayenne, o jis važinėja „McLaren F1“.

Iš principo, ir ta ir kita – brangūs automobiliai, skirtumas tarp jų – kiekybinis, bet visgi tai į akis kažkaip krenta. Čia kalba apie tai, kad JB, esančių tokiu atstumu nuo mūsų, masė turi būti ne 10–12 mlrd s. m., o, tarkime, 100 mln. Žiūrint buitiškai, šie skaičiai ne taip smarkiai skiriasi, bet paėmus konkrečius JB masės augimo modelius, paaiškėja, kad per tuos 700 mln metų, kuriuos juodoji bedugnė turėjo, užauginti 12 mlrd s.m gan sunku – tai keista. Ir natūraliausias dabar turimas paaiškinimas, kad ta pirmoji JB, pradėjusi augti ir tapusi tokia, buvo kiek didesnė už kitas. Tai yra, paverčiame tai klausimu, iš kur bendrai randasi supermasyvios juodosios bedugnės.

Akivaizdžiausia JB istorija prasideda nuo pirmųjų žvaigždžių. Pirmosios žvaigždės susiformavo po kelių dešimčių milijonų metų nuo Didžiojo sprogimo – tai ganėtinai masyvios žvaigždės. Savo gyvenimo gale jos virsta juodosioms bedugnėmis, kurių masė paprastai siekia apie 200 s. m. Po to jos gali viena su kita susilieti, ryti materiją, patyliukais augti ir atsiduria stambios galaktikos centre, iki mūsų dienų pasiekti 10 mlrd s. m.

Norint iki 10 mlrd s. m. užaugti ne per 13 mlrd metų, o per 700 mln, reikia iš pradžių būti masyvesne, nei 200 s. m.

Ir viskas pavyks, jei tokia JB iš pradžių bus vos 10 kartų masyvesnė. Problema tik, iš kur pačioje pradžioje imti kelių tūkstančių Saulės masių juodąsias bedugnes. Dabar įtikinamiausias atsakymas į šį klausimą – šios JB susidarė ne iš pirmųjų žvaigždžių, o iš pat pradžių, kolapsavus pakankamai dideliam dujų debesiui. Tada galima iš karto gauti kelių tūkstančių Saulės masių juodąją bedugnę. Toliau viskas vyksta įprastai, bet aišku, kad jei pradėjote nuo stambaus kapitalo, pabaigoje irgi turėsite didelį kapitalą.

– Kaip, Jūsų nuomone, reikėtų spręsti garsiąją dilemą, kad juodosios bedugnės beveik garantuotai egzistuoja, tačiau jų iki šiol niekas neaptiko?

– Išties, juodosios bedugnės – gana neįprasti objektai, kuriuos labai sunku stebėti. Astrofizikos požiūriu, matome daug skirtingų šaltinių, kurių elgsena tokia pati, kokia turėtų būti JB, kas iš principo, žinoma, nėra galutinis jų egzistavimo įrodymas. Iš fizikos perspektyvos, yra daugybė visokiausių įdomių procesų, betarpiškai susijusių su [įvykių] horizontu, kurį realioje astrofizikoje stebėti fantastiškai sunku.

Griežtai tariant, mes ir nežinome, kaip jį stebėti. Galime tai daryti, tik jei mums labai pasiseks. Iš vienos pusės, yra fizikinės prognozės, kokie efektai daugiau ar mažiau vienareikšmiškai sakytų, kad tai yra juodoji bedugnė, iš kitos – tiesiogiai to patikrinti negalime, nors galime tikrinti visokiausius kitus dalykus. Ir kai kurių stebimų reiškinių geriausia interpretacija yra juodosios bedugnės.

Ką galėsime atlikti artimiausioje ateityje ir ko tikimės? Patikimiausias dalykas, turintis nutikti per ateinančius keletą metų, – tai JB susiliejimo signalo gravitacinių bangų užregistravimas. JB susidaro ir iš masyvių žvaigždžių, masyvios žvaigždės mėgsta kurti dvinares sistemas, vadinasi, turi egzistuoti ir dvinarės juodųjų bedugnių sistemos, kurios ilgainiui susilies, o tai sukels gravitacinio spinduliavimo blyksnį. Tokius įvykius registruoti turėtume pradėti jau kitąmet, ir, savaime suprantama, kūnų sąveika su horizontu ir su kietu paviršiumi turi atrodyti skirtingai. Įdomu, kad formaliai tai nebus galutinis juodųjų bedugnių egzistavimo įrodymas. Tačiau sakyčiau, kad bet kuriam normaliam teismui tokių įkalčių pakaktų.

Dar būtų šaunu išvysti juodųjų bedugnių Hawkingo spinduliavimo blyksnį. Fizikai šia tema įnirtingai ginčijasi, ir yra modelių, pagal kuriuos jokio Hawkingo spinduliavimo nėra, tačiau nepaisant to, tai kol kas yra galima sakyti, standartinė prognozė. Galima tikėtis išvysti paskutinį išgaruojančios juodosios bedugnės blyksnį, bet čia jau veikiausiai sėkmės klausimas. Pastarąjį kartą, jei neklystu, visai neseniai, buvo stebėtas blyksnis, kurį bandyta panašiai paaiškinti, ir kai kas tebesilaiko tokio paaiškinimo, nors jis ir nėra visuotinai priimtas, – tai vadinamasis Greitas radioblyksnis. Veikiausiai šis blyksnis gali būti paaiškintas kitoms priežastimis, tačiau, kaip bebūtų, būtų šaunu išvysti juodosios bedugnės „paskutinį iškvėpimą“.

Tuo pačiu mes tiesiog tikimės, kad kuo toliau, tuo geriau žinosime ir suprasime žinomų šaltinių savybes. Ir teleskopų, didelių interferometrų raida leis išvysti vadinamąjį juodųjų bedugnių šešėlį. Tai yra maždaug tai, kas parodyta filme „Interstellar“. Yra specialus projektas „Event Horizon Telescope“ – dešimties antžeminių teleskopų junginys, turinčių tris pagrindinius tikslus – tris didžiausias dangaus JB: galaktikos М87 centre, mūsų galaktikos centre ir JB Andromedos ūke. Mokslininkai tikisi išvysti spinduliavimo struktūrą šalia šių objektų, ir tai irgi bus geras argumentas juodųjų bedugnių naudai.

Kartu visada liks teoriniai ginčai apie tai, kad tikros bedugnės su horizontais nesusidaro, jei esame atitinkamoje atskaitos sistemoje, kad viskas išgaruoja iki bedugnės atsiradimo ir t. t. Tačiau iš esmės tai nedaro įtakos astrofiziniams stebėjimams, ir tikriausiai lieka siaubingai egzotiškų alternatyvių modelių kūrimo alternatyvos, kur žmonės sugalvos įmantriausias konfigūracijas, kurios vos vos didesnės už juodąsias bedugnes.

Ir tada stebėtojo požiūriu juos irgi bus gan sunku paneigti, ir argumentai prieš šias alternatyvas taip pat bus gan netiesioginiai, nors ir labiau įtikinami, nei argumentai tokių modelių naudai.

– Kad jau paminėjote filmą „Interstellar“, paklausiu: ar visgi juodoji bedugnė gali būti pereinama ar tai pernelyg neįtikėtina?

– Visiems rekomenduočiau perskaityti knygutę „The science of Interstellar“, kurioje daugmaž populiaria forma į šiuos klausimus atsako žymus amerikiečių fizikas ir astronomas Kipas Thorne'as, kuris juose gaudosi kur kas geriau nei aš. Iš principo, kirmgraužos, iš kurios pusės bežiūrėtum, visgi lieka egzotika. Nesame visiškai tikri, kad galime naudoti bendrąją reliatyvumo teoriją tokiomis ekstremaliomis sąlygomis, kaip juodosios bedugnės centras: ji tiesiog nėra patikrinta tokiomis sąlygomis. Reliatyvumo teorija nėra galutinė gravitacijos teorija, ir ją pakeis teorija, kuri ribiniais atvejais sutaps su BRT, tačiau ekstremaliose situacijose pateiks kitokias prognozes. T. y., kirmgraužų, kaip ir juodųjų bedugnių gelmių aptarimas, remiasi BRT lygčių ekstrapoliacija į sritis, kur jos nepatvirtintos. Tačiau iškart norisi apginti reliatyvumo teoriją, nes ji pati nėra pramanas. Iš principo, kirmgraužos gali būti susijusios su juodosiomis bedugnėmis, tiesiog tokie spėjimai yra gera teorija paremta spekuliacija, dėl objektyvių priežasčių nepatikrinta.

Be abejo, būtų keista, jei bet kuri JB būtų įėjimas į kirmgraužą. Visgi JB turėtų būti visiškai natūralūs objektai, o kirmgraužų gamtoje gali ir nebūti. Tame nieko baisaus nėra, pavyzdžiui, išmanieji telefonai irgi ant medžių neauga – juos sukuria žmonės. Todėl „Interstellar“ ne veltui aptariama pažangesnė civilizacija, kuri tokią kirmgraužą ir sukūrė. Ir tai kažkuria prasme atrodo menkiau fantastiška, nei natūralus daugybės kirmgraužų egzistavimas. Žinoma, kalbu apie dideles kirmgraužas, o ne kažkokias struktūras, egzistuojančias kvantinės putos lygyje.

– Ką manote apie didelės akmeninė planetos egzistavimą Saulės sistemos pakraštyje? Ir kodėl, jeigu ji yra, iki šiol neatrasta, juk, regis, visai šalia, palyginus su jau atrastomis egzoplanetomis?

– Jei žiūriu pro langą – matau gana toli nuo manęs esančius objektus, o po lova pariedėjusios sagos nematau, nes ten tamsu. Maždaug tas pats yra ir su dar vienos planetos atradimu Saulės sistemoje. Aplink kitą žvaigždę skriejančią planetą matome, nes žvaigždė ją apšviečia – tiksliau, atvirkščiai: planetos metamą šešėlį virš žvaigždės. Pačios planetos nematome – matome, kaip per diską praslinko kažkas tamsaus. O čia mums reikėtų išvysti būtent pačią planetą. Tačiau tai sudėtinga, nes ji, visų pirma, toli nuo mūsų, o antra, toli nuo Saulės, todėl atspindi mažai šviesos. Aišku, jei tiksliai žinotume, kur konkrečiu momentu planeta yra ir nukreiptume ten galingą teleskopą – ją galėtume ją aptikti. Tačiau taip nedaroma paprasčiausiai todėl, kad stambūs teleskopai negali apžvelgti viso dangaus ir tokia planeta už 200 astronominių vienetų gali likti nepastebėta. Bet kol kas tokia sėkmė nenusišypsojo, todėl išvysti ją dabar, jeigu ji ir egzistuoja, neina.

Yra tokių planetų egzistavimą žvaigždžių sistemų pakraščiuose remiančių argumentų. Patys rimčiausi siejami su mažųjų Saulės sistemos kūnų elgesiu. Kai kurių kometų orbitų tyrimai rodo, kad jos gan anomalios, ir, žinoma, šį anomalumą galima paaiškinti įvairiai. Bet paprasčiausias būdas, kuriam tereiktų vieno dėmens, tai teiginys, kad už 100-200 a.e. turi būti maždaug Žemės masės planeta. Tai paaiškintų kometų orbitos anomalijas. Kai tik kyla tokia idėja, astrofizikams kyla pagrįstas klausimas: o iš kur ji ten išdygo.

Tai yra, jeigu ten natūralus objektas – turime surasti natūralų jo atsiradimo būdą.

Egzistuoja dvi tokio atsitikimo versijos. Pirmoji atrodo realistiškesnė: planetoms dar tik formuojantis, Saulės sistemoje skrajojo labai daug kuo įvairiausios masės objektų.

Kartkartėmis jie susidurdavo tarpusavyje, stambesni kūnai juos priglobdavo arba išsviesdavo – kai kuriuos į išorę, kai kuriuos – vidun. Masyvus Jupiteris savo gravitacija gali sunkius kūnus išsviesti gan toli. Jis pajėgtų Žemės masės planetą išsviesti kur nors už 150 а. v. Ir jeigu ją ten nusviedė, ji negalės pakeisti savo orbitos ir grįžti atgalios. Modeliavimas rodo, kad tai visiškai realu.

Antroji versija atrodo kiek egzotiškesnė. Jei debesis iš kurio formavosi Saulės sistema, buvo pakankami masyvus, tai iš principo, planeta gali susiformuoti ir taip toli. Tam, visų pirma, reikia daug medžiagos, o antra, daug laiko – apie 1 mlrd metų.

Saulės sistemai daugiau, nei 4 mlrd metų, tad laiko pakako.

– Ar pastaruoju metu aptikti kokie nors nauji egzoplanetų tipai (išskyrus superžemes, karštus ir šaltus dujinius gigantus, vandenų pasaulius)?

– Šiais mėnesiais apie kokių nors iš principo naujų egzoplanetų tipų atradimą negirdėjau. Atradimų yra, bet jie ne tokie revoliucingi, nes Kepler teleskopas, kaip žinia, dabar yra ne aktyvių paieškų fazėje, ir specialistai darbuojasi su jo sukauptos informacijos archyvais. Planetos atrandamos ir antžeminiais instrumentais, tačiau ne taip gausiai, todėl jeigu reikėtų ką išskirti iš, tarkime, praėjusių metų atradimų, tai mano subjektyvia nuomone, tikriausiai būtų planetos atradimas gana egzotišku būdu – panaudojant gravitacinį lęšiavimą. Savo ruožtu, tai reiškia, kad detaliau jos ištirti neina. Planeta yra gan glaudžioje dvinarėje sistemoje, tačiau jos orbita ganėtinai didelė. Tai yra, atstumas nuo vienos žvaigždės iki kitos – 15 a. v., o nuo planetos iki žvaigždės – 1 a. v. Todėl, mano nuomone, tai įdomi ir neįprasta sistema. Deja, kaip minėjau, detaliai ją ištirti bus, ko gero, labai sunku.

– Klausiau, nes kokiuose nors mokslo populiarinimo filmuose ar laidose tenka išgirsti, pavyzdžiui, apie „deimantines“ planetas, susidedančias didžia dalimi iš anglies. Ką apie tai galima pasakyti ir kaip vertinate tokius pramanus?

– Tai ir pramanai ir nepramanai tuo pačiu metu. Gali būti planetų, kuriose labai daug anglies. Ir jeigu jos pakankamai masyvios, tai ir anglis bus suspausta, atitinkamai, dalis bus būsenoje panašioje į deimantus. Tačiau tai nereiškia, kad priskridę prie tokios planetos, išvysite didelę apskritą briliantą. Planeta atrodys daug proziškiau – iš išorės ten bus toli gražu ne deimantai. Tiesiog čia mūsų fantazija lengvai pasiduoda pagražinimams, paremtiems iš esmės kažkuо realiu.

Noriu pasakyti, kad laboratorijoje mes negalime atkuri netgi Žemės gelmių.

Neturime supratimo, kas vyksta Jupiterio centre. Tačiau juk tai nereiškia, kad Jupiterio centre yra didžiulis gėrimų baras – mes renkamės iš apibrėžtų nuobodesnių variantų. Jei taip prastai pažįstame netgi savo pačių Žemę ir Saulės sistemos planetas, tai kur jau ten tolimos egzoplanetos. Dažniausiai težinome jų masę ir skersmenį. Tad, nenuostabu, kad sudūrus su tokia egzoplanetų įvairove, natūraliai kyla daugybė jų išvaizdos ir sudėties hipotezių. Tačiau, deja, kol kas kokių nors konkrečių duomenų apie egzoplanetas turime nedaug.

– Ką žinome apie egzoplanetų palydovus?

– Nieko. Juos atrasti nelengva. Tikimasi, kad naujos kartos teleskopai, tokie, kaip „James Webb“, galės tai atlikti ir be to, skirtingais metodais. Taip, „Webbas“ galės įžiūrėti palydovus, jei šie bus pakankamai karšti. PLATO galės aptikti palydovus tokiu pačiu būdu, kaip planetas atrado Kepleris – iš tranzitų, skriejimų virš disko. Todėl jis galės aptikti tik didelius palydovus, panašius į mūsiškį Mėnulį ar galilėjiškuosius Jupiterio palydovus. O kol kas intensyviai diskutuojama, yra daug įdomių minčių ir vyksta duomenų apdorojimas.