Nuostabios, gluminančios ir kiek bauginančios: juodosios bedugnės – mylimi ir nekenčiami mūsų visatos monstrai. Šie nepasotinami kosmoso kanibalai yra konkreti A. Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos, kol kas geriausios turimos gravitacijos teorijos, išdava. Tačiau teoretikai ilgai ginčijosi, ar jos gali egzistuoti – kol astronomai pamatė pirmuosius jų ženklus.
Nuostabios, gluminančios ir kiek bauginančios: juodosios bedugnės – mylimi ir nekenčiami mūsų visatos monstrai. Šie nepasotinami kosmoso kanibalai yra konkreti A. Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos, kol kas geriausios turimos gravitacijos teorijos, išdava. Tačiau teoretikai ilgai ginčijosi, ar jos gali egzistuoti – kol astronomai pamatė pirmuosius jų ženklus. Dabar matome JB pėdsakus visur: didžiulėse kolapsuojančiose į save žvaigždėse, tolimuose, bet visatą sudrebinančiuose masyvių objektų susidūrimuose, ir tamsiose galaktikų – įskaitant ir mūsiškį Paukščių Taką – šerdyse.
Šiais metais turėtume gauti esminį įrodymą: pirmąjį tiesioginį supermasyvios Paukščių Tako centro JB vaizdą. Bet kol rengiamės tam, kai kurie fizikai audžia įdomią mintį: o ką, jeigu jos ten nėra?
©NASA/JPL-Caltech/ESA/CXC/STScI
O ką, jei mūsų susižavėjimas JB apakino mus ir neregime kai ko dar keistesnio – esminio dalelių fizikos fenomeno, kurio svarbos dar nesupratome. Juk yra svari priežastis norėti, kad mūsų galaktikos centre būtų kas tik nori, bet ne juodoji bedugnė. Juk JB skamba kaip visiška nesąmonė kvantų mechanikoje – teorijoje, geriausiai paaiškinančioje viską – išskyrus gravitaciją.
Aišku, kol kas tai spekuliatyvi idėja, bet yra svarių priežasčių panagrinėti ją nuodugniau. „Mes, mokslininkai, esame linkę labai arogantiškai vertinti savo numanomo žinojimo lygį, – sako fizikos teoretikas Luciano Rezzolla iš Frankfurto pažangiųjų tyrimų instituto Vokietijoje. – Nenoriu po 10 metų atrodyti kaip dar vienas arogantiškas, pernelyg savimi pasitikintis mokslininkas.“
Nepaisant visų keliamų sunkumų, esminis juodosios bedugnės principas itin paprastas. Bendrajame reliatyvume, 1915 metais pateiktoje Einšteino teorijoje, masyvūs objektai apie save išlenkia erdvę ir laiką, taip sukurdami jėgą, kurią vadiname gravitacija. Pakankamai didelės masės, pakankamo tankio objektas,erdvę ir laiką iškreipia taip stipriai, kad neatsargiai prisiartinęs ir kirtęs „įvykių horizonto“ ribą, niekas, netgi šviesa, negali pasprukti. Juodoji bedugnė yra kaip žvaigždiniai vėžių spąstai, tik kad jie niekada neištuštinami, o patekusių vėžių niekas niekados nebepamato.
Kas yra JB viduje, nežino niekas. Remiantis reliatyvumu, atrodytų, viskas, kas tik į ją įkrenta, gravitacijos suspaudžiami į nulinio tūrio ir begalinio tankio „ singuliarumą “, bet prizas tebelaukia galinčio pasakyti, ką tai iš tikrųjų reiškia. O kol kas, teoretikų kruopščiausi skaičiavimai rodo, kad, arba juodosios bedugnės sunaikina informaciją – kas jokiais būdais nesuderinama su kvantų teorija – arba apsupa save burbuliuojančia energijos mase,vadinama ugniasiene, sugriaunančia bendrąjį reliatyvumą. JB reprezentuoja tašką, kur su labai dideliais objektais puikiai susitvarkantis bendrasis reliatyvumas susitinka su itin mažus objektus idealiai aprašančia kvantų teorija – ir čia nieko gražaus.
Tokios problemos išryškėjo dar septintajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje, bet tai nesutrukdė astronomams įsivaizduoti būdų, kaip gamta galėtų sukurti JB. Pavyzdžiui, išsekus masyvios žvaigždės kurui, ji gali savo pačios gravitacijos jėgos būti sugniuždyta į žvaigždinės masės juodąją bedugnę. Toks objektas pagal savo prigimtį būtų juodas kaip smala ir smalos juodumo kosmose būtų nepastebimas, bet savo egzistavimą galėtų išduoti kitaip. Taip 1964 metais Gulbės žvaigždyne buvo atrastas galingas rentgeno spindulių šaltinis. Pavadintas Cyg X-1, jis atrodė lygiai taip, kaip rodė link JB skriejančių karštų dujų skleidžiamo spinduliavimo modeliai. Aštuntojo dešimtmečio pradžioje astronomai jautėsi pakankamai užtikrinti, kad galėtų teigti, jog Cyg X-1 praktiškai užtikrintai yra žvaigždinės masės juodoji bedugnė, ryjanti ją supančią materiją.
Tai dar ne viskas. Ankstyvojoje visatoje, kai gigantiški ūkai traukdamiesi formavo galaktikas, dujos jų centruose galiausiai taip sutankėjo, kad suformavo „supermasyvias“, milijonus ar net milijardus kartų masyvesnes už Saulę juodąsias bedugnes. Manoma, kad Paukščių Tako centre esantis objektas Šaulio A* arba Sgr A*, būtent tai ir yra. Jis buvo aštuntojo dešimtmečio pradžioje, kaip itin stiprus radiobangų signalų šaltinis. Vėlesni tyrimai, ypač gravitacijos poveikio greta skriejančių žvaigždžių orbitoms, įtikino mus, kad tai išties keturių milijonų Saulės masių JB.
Kiti įtikinami, tačiau vis vien netiesioginiai, JB liudijimai gauti pernai, pirmą kartą užfiksavus gravitacines bangas. Šie erdvėlaikio raibuliai randasi, itin masyviems objektams judant su pagreičiu – pavyzdžiui, kai du kūnai artėdami sukasi vienas apie kitą ir galiausiai susiduria. 2015 metais LIGO stebėtas signalas tiksliai atitiko tokį, koks turėtų būti, susidaužiant ir susiliejant dviems žvaigždinės masės JB. Nuo tol LIGO aptiko dar du signalus, atitinkančius žvaigždinės masės JB susijungimą.
Tai jau byla baigta? Ne taip greitai, džiugesį maldo Rezzolla. „Nors dvinarė JB sistema yra akivaizdus ir paprastas paaiškinimas, tai nėra vienintelis paaiškinimas“, – sako jis. O būtent, signalai gali sklisti ne iš JB, bet iš visai kitoniško teorinio išradimo: bozonų žvaigždžių.
Truputėlį pasiaiškinkime. Visos mums įprastą materiją – tave, mane, tariamą JB – sudarančios dalelės priklauso vadinamųjų fermionų klasei. Išskirtinė jų charakteristika – jos paklūsta Paulio draudimo principui, skelbiančiam, kad to paties kvantinės energijos lygmenį gali užimti tik viena dalelė. Paulio principas paaiškina materialųjį pasaulį: jis apsprendžia elektronų išsidėstymą skirtinguose energijos lygmenyse apie atomo branduolį, tad ir įvairių cheminių elementų savybes.
Bozonai – kito miško žvėrys. Higgso bozonas, apie kurio atradimą su fanfaromis paskelbta 2012 metais, yra ko gero labiausiai žinomas jų atstovas. Jis suteikia dalelėms masę; kiti bozonai perneša jėgas, kuriomis gali sąveikauti dalelės. Bozonai nėra egzotika. Tiesą sakant, matome juos nuolat: šviesos fotonai yra bozonai.
Bozonai gali susigrūsti praktiškai neribotai. Užuot sudarę nekontroliuojamą subatominę išprotėjusių fanų gaują, jie iš esmės tampa kolektyvine dalele, materijos būsena, vadinama Bose-Einstein kondensatu.
Žinome, kaip sukurti Bose-Einstein kondensatus laboratorijoje. Taip pat žinome, kad turint tinkamų bozonų, galima būtų sukurti ir ką nors didesnio mastelio – daug didesnio. Kai kurie fizikai mano, kad iš jų galima suformuoti žvaigždes, nors ir ne tokias, kokias pažįstame. „Minėdami žvaigždes, omenyje turime tiesiog drauge besilaikančių dalykų rinkinį“, – sako teoretikas Steve Liebling iš Long Island universiteto Niujorke.
Kai žvaigždes formuoja įprasta materija, gravitacijos spaudimas ją taip įkaitina, kad prasideda šviesą skleidžiančios termobranduolinės reakcijos. Tuo tarpu bozonų žvaigždė tiesiog kiurksotų kaip kosminis tinginio pantis. Riestainio formos tinginio pantis: simuliacijos rodo, kad jeigu bozonų žvaigždė suktųsi taip, kaip įprastos žvaigždės, išcentrinė jėga bozonų materijai suteiktų būtent tokią formą.
Tokie žvaigždiniai riestainiai būtų skaidrūs. Neskleisdami savo šviesos, jie būtų nematomi ir pagrindinis juos išduodantis dalykas būtų intensyvi jų gravitacija. Kažką primena? „Bozonų žvaigždės galėtų mėgdžioti JB, – sako Liebling. – Ir gali būti, kad esame maustomi.“
Bozonų žvaigždžių idėja nėra nauja, bet astrofizikai šalinosi jos, mat niekas nesugalvojo, iš kokių bozonų jos galėtų būti sudarytos – tokios dalelės, kaip fotonai, kurie perduoda fundamentalias sąveikas šiam vaidmeniui netinka. Tada nuskambėjo Higgso bozono atradimas. Jis atgaivino susidomėjimą naujais bozonais – taip pat ir todėl, kad jie labai praverstų ir dalelių fizikai (žr. „ Tinkama bozonų rūšis “). Tai savo ruožtu paskatino fizikus susimąstyti, kaip galėtume ieškoti bozonų žvaigždžių įrodymų.
Vienas akivaizdus atsakymas yra LIGO, nors esami detektoriai ir negali atskirti, ar gravitacinės bangos atsklinda nuo dviejų susijungiančių JB, ar dviejų bozonų žvaigždžių. Skirtumų reikėtų ieškoti ne fazėje iki susiliejimo, kai artėjantys ir vienas apie kitą besisukantys objektai skleidžia jau aptiktas bangas. Skirtumų reikėtų ieškoti vėlesnėje stadijoje, kai du jau susilieję objektai dar tebevirpa nuo smūgio kaip skimbtelėtas varpas. „Kaip ir varpai, visi objektai turi savo būdingą dažnį ir toną, – sako Rezzolla. – Tam tikros masės JB tonas bus vienoks, bozonų žvaigždžių – kitoks.“ Deja, kol kas LIGO dar negali klausyti šio „skambesio“ pakankamu tikslumu, o tai atlikti leisiančių atnaujinimų tikriausiai teks palūkėti dar bent penketą metų.
Įvykių horizonto teleskopas – tarptautinis projektas, skirtas pažvelgti tiesiai į JB nasrus – aiškumo gali suteikti anksčiau. Radioteleskopai visame pasaulyje buvo apjungti, siekiant ne tik aptikti apie Sgr A* įvykių horizontą skriejančių įkaitintų dujų spinduliavimą, bet ir jį atvaizduoti. Atliekant tai pakankamu tikslumu, juodosios bedugnės forma turėtų būti kaip… na, juoda skylė atvaizdo viduryje.
Tai nelengva užduotis, prilygstanti Niujorke padėto garstyčių grūdelio fotografavimas, sėdint Londone. Dėl to, Heino Falcke iš Radboud universiteto Nijmegene, Nyderlanduose, kuris yra vienas iš „Event Horizon Telescope“ iniciatorių, perspėja pernelyg iš anksto nesidžiaugti – nors iki šio surinkti duomenys jį nuteikia entuziastingai. „Tai nebus gražus ryškus vaizdas. Tai veikiau primins neišvaizdų žemės riešutą“, – sako jis.
Ar gal neišvaizdų riestainį. Nesutariama ar bus lengva atskirti juodosios bedugnės ir bozonų žvaigždės atvaizdus. Frédéric Vincent iš Paryžiaus observatorijos Prancūzijoje skaičiavimai rodo, kad kompaktiškos bozonų žvaigždės gravitacija išlenks šviesą aplink, sukurdama tuščią regioną, kurį galima supainioti su JB įvykių horizonto šešėliu. „Bozonų žvaigždė išties skiriasi nuo JB, tačiau jų kuriami efektai panašūs“, – pažymi jis.
Rezzolla mano, kad ši analizė perdėm pesimistiška. Kaip ir JB, bozonų žvaigždė siurbtų materiją iš aplinkos, bet kadangi bozonų žvaigždė skaidri, materija matytųsi jos centre. Ji taip pat tikriausiai įkaistų ir pradėtų spinduliuoti šviesą ar kokias nors kitas elektromagnetines bangas. „Dėl šios šviesos neliktų ir šešėlio“, – sako Rezzolla.
Vincentas sutinka, kad materijos elgesį bozonų žvaigždės viduje reikėtų patyrinėti nuodugniau. „Tai tyrimų programa, kurią banda vystyti. Kuriame kodus, kaip tai atlikti nuo pat juodraščio“, – sako jis.
Falcke iš pirmojo Įvykių horizonto teleskopo vaizdo nesitiki jokių siurprizų. „Bijau, nieko daugiau, nei nuobodžią juodąją bedugnę neišvysime“, – sako jis. Tokie žodžiai rodo, kaip giliai įsišaknijęs dabar yra tikėjimas JB. Netgi dirbantys su bozonų žvaigždėmis pripažįsta, kad tai labai menkai tikėtina. „Esu atviras argumentuotai diskusijai, tačiau bet tai vis vien labai egzotiška“, – sako Lieblingas.
Vėlgi, juodųjų bedugnių paneigimo atpildas potencialiai būtų neišmatuojamas. Šis bendrojo reliatyvumo ir kvantų teorijos konflikto įsikūnijimas yra masyvūs rieduliai, užvertę vieningosios gamtos teorijos paieškų kelią. Taip žiūrint, išmintinga būtų nenuvertinti visų galimybių. „Geriausia išlaikyti atvirą protą, – sako Rezzolla. – Tada tegul patirtis pasako, kas čia iš tiesų yra.“
Tinkama bozonų rūšis
Bozonų žvaigždės priklauso nuo tinkamų bozonų egzistavimo. 1955 metais JAV fizikas Johnas Wheeleris domėjosi, ar žvaigždės galėtų būti sudarytos iš šviesos fotonų, o ne materijos. Šiuos objektus jis vadino gravitaciniais elektromagnetiniais vieniais (gravitational electromagnetic entities), trumpiau, geonais. Bet greitai paaiškėjo, kad geonai iš bozonų, kurių sukinys yra 1, pavyzdžiui, fotonų, būtų nestabilūs ir išsisklaidytų.
Septintajame dešimtmetyje teoretikas David Kaup iš Marylando universiteto parodė, kad nulinio sukinio bozonai galėtų suformuoti stabilias žvaigždes. Tačiau tuo metu nebuvo žinoma apie jokius nulinio sukinio bozonus. Tai pasikeitė 2012 metų liepos 4 dieną, atradus Higgso bozoną. Tiems, kas niekad neprarado tikėjimo bozonų žvaigžde, tai buvo didžiulis paskatinimas. „Žinojome, kad gamtoje yra bent vienas toks bozonas, tad tai tapo motyvacija tęsti paieškas šia kryptimi“, – sako Frédéric Vincent iš Paryžiaus observatorijos Prancūzijoje.
Tačiau tebėra dar vienas nemenkas kliuvinys. Dėl bozonų būrimosi ypatybių, kuo mažesnė jų masė, tuo didesnę žvaigždę jie formuoja. Labai masyvios žvaigždės reiškia labai lengvas daleles. Higgso bozono 125 gigaelektronvoltų masė, apie 250 000 kartų didesnė už elektrono, buvo tiesiog per didelė.
Galima alternatyva – aksionas. Šios hipotetinės dalelės idėja iškelta praėjusio amžiaus aštuntojo dešimtmečio pradžioje ir yra kandidatė sudaryti tamsiąją materiją, paslaptinguosius klijus, kuri, kaip mano astronomai, laiko galaktikas. Savo ruožtu, ši idėja atveria galimybę, kad bozonų žvaigždės galėtų sudaryti bent jau dalį tamsiosios materijos.
Nors aksionų paieškos kol kas nevaisingos, bozonų žvaigždės atradimas galėtų padėti: išsiaiškinus tikėtiną aksionų masę, būtų aiškiau, kur reikėtų sutelkti dėmesį eksperimentuose, gaminant šias daleles Žemėje.
