Visatoje pilna didelių ir mažų juodųjų bedugnių, tačiau vidutinių aptikti niekaip nepavyksta. Gali būti, kad atsakymai glūdi nykštukinėse galaktikose. Mar Mezcua per dienas medžioja nematomus taikinius. Plika akimi nematomi gremėzdiški gigantai, meistriškai apsigaubę naktinio dangaus tamsa. Žino, – jie tūno ten; matė jų pėdsakus, aptiko ženklus. Bet nepaisant viso laukimo, vienos rūšies JB taip ir neaptiko.
Visatoje pilna didelių ir mažų juodųjų bedugnių, tačiau vidutinių aptikti niekaip nepavyksta. Gali būti, kad atsakymai glūdi nykštukinėse galaktikose.
Mar Mezcua per dienas medžioja nematomus taikinius. Plika akimi nematomi gremėzdiški gigantai, meistriškai apsigaubę naktinio dangaus tamsa. Žino, – jie tūno ten; matė jų pėdsakus, aptiko ženklus. Bet nepaisant viso laukimo, vienos rūšies JB taip ir neaptiko. Popieriuje jos, regis, niekuo neypatingos: vidutinio dydžio, vidutinės masės. Jų gebėjimas slėptis neturėtų būti geresnis, nei bet kurių kitų, ir jų turėtų būti maždaug tiek pat, keik ir kitų. Bet jų tiesiog nėra.
Šių trūkstamų JB atardimas ne tik užbaigtų jos kolekciją, bet ir nušviestų pagrindinę JB evoliucijos mįslę: kaip mažos gali tapti tokios didelės taip greitai. O ir neįprastą kai kurių galaktikų elgesį vidutiniokės galėtų padėti išaiškinti. Tai kosminio masto minklė ir pasak Mezcua iš Barselonos Kosmoso mokslų instituto, galbūt jau esame visai netoli jos įminimo.
Juodąsias bedugnes tyrinėti nelengva. Jos tokios masyvios ir kompaktiškos, kad jų gravitacija sugriebia viską, kas pernelyg prisiartina. Net šviesa nepajėgia ištrūkti iš jos gravitacijos gniaužtų, tad jos nieko neatspindi, ir todėl tampa praktiškai nematomos. Tad, jų ieškantys astronomai priversti pasitelkti visą išmonę. Apie nematomą objektą greitėjančiai skriejančios žvaigždės yra viena JB užuomina, kaip ir staigūs rentgeno spindulių blyksniai paskleisti kritimo bedugnėn įkaitintos medžiagos. O neseniai aptiktos susiliejančių JB sukurtos gravitacinės bangos. Kaip ten bebūtų, ant JB medžiotojų sienų įspūdingų egzempliorių netrūksta. Tačiau vieno trofėjaus kolekcijoje trūksta.
Lig šiol rastas JB galima suskirstyti į dvi stovyklas. Mažųjų grupėje – žvaigždinės masės JB, susiformavusios, mirus masyvioms žvaigždėms ir kurių masė mažesnė, nei 100 Saulių. Kitame kolekcijos gale – galaktikų centruose įsitaisiusios supermasyvios JB. Mūsų galaktikos – Paukščių Tako – centre įsitaisęs 4 mln M☉ monstras. Kitų galaktikų centruose JB siekia ir ne vieną milijardą M☉. Bet tarp jų, kur galėtų įsitaisyti tarpinės masės juodosios bedugnės (intermediate mass black holes – IMBH) – įtartinai tuščia.
Ir tai stebina. Supermasyvios JB turėjo iš kažkur atsirasti, o remiantis dominuojančia teorija, jos formuojasi, susijungiant mažesnėms JB. Bet milijardo M☉ Galijoto susidarymas iš milijonų mažučių Dovydų užtrunka. Ilgai užtrunka. Taigi, kai astronomai užmatė visiškai susiformavusias supermasyvias JB iš laikų, kai nuo Didžiojo sprogimo buvo praėję vos milijardas metų, jie suprato, kad galai nesueina. „Nebūtų pakakę laiko tokioms didžiulėms supermasyvioms juodosioms bedugnėms susiformuoti tokioje jaunoje visatoje“, – paaiškina Mezcua. Nebent, aišku, jos būtų susiformavusios iš IMBH. Jei tokios vidutiniokės atsirado iškart, tarkime, iš milžiniškų žvaigždžių sprogimų ar iš tiesioginio dujų debesų kolapso, kai kurioms būtų pakakę laiko susijungti į supermasyvius monstrus. Bet jei taip, turėtų būti likę pilna nesusijungusių IMBH. „Turėtume regėti jas vietinėje visatoje“, – sako Mezcua. Kur jos visos slepiasi??
Dar neseniai manėme, kad jau perpratome šią paslaptį. Atrodė, kad atsakymą slypi neįprastai ryškiuose rentgeno spindulių blyksniuose, visame pasaulyje teleskopais fiksuojamais nuo praėjusio amžiaus devintojo dešimtmečio pradžios. Į JB keliaujanti medžiaga nuo trinties ima kaisti ir galiausiai ima spinduliuoti rentgeno spindulių diapazone. Kuo centrinis objektas masyvesnis, tuo greičiau aplink jį medžiaga sukasi, tuo didesnė trintis ir tuo ryškesni rentgeno spinduliai. Mažesnės galios rentgeno spindulių blyksniai jau padėjo aptikti mažesnes JB, bet šie nauji, daugiau nei milijoną kartų šviesesni už Saulę, atrodė esantys pernelyg ryškūs, kad galėtų būti kuriami žvaigždinės masės JB. Atrodė, kad duomenys liudija IMBH naudai.
Kaupiami duomenys, atrodė, tokį paveikslą tik papildė, bet viena abejonė kirbėjo. „Jau keletą metų aiškėjo, kad šių objektų spektrai neatitinka IMBH“, – sako Matteo Bachetti iš Cagliari Astronomijos observatorijos Italijoje. O tada, 2014 metais, paskutinis lašas: paaiškėjo, kad vienas toks rentgeno spindulių blyksnis pulsuoja. Tada kitas. Ir dar kitas.
Atradimas astronomus gerokai sutrikdė. „Tai pribloškė“, – komentuoja Bachetti. Rentgeno spindulių blyksniai būdingi pulsarams, sparčiai besisukantiems gyvavimą baigusių vidutinio dydžio žvaigždžių branduoliams, kurie iš savo ašigalių skleidžia radijo bangas, kaip kosminiai švyturiai. Bet šie tariamieji pulsarai buvo daugiau nei šimtą kartų ryškesni nei turėtų būti. 2017 metų rugpjūtį publikuotame tyrime, Grzegorz Wiktorowicz iš Varšuvos universiteto Lenkijoje iškėlė idėją, kad regimas „superšviesumas“ fiksuojamas dėl to, kad siauras spėjamų pulsarų spindulys nukreiptas tiesiai į mus. Darydami prielaidą, kad kompaktiškas objektas tokio intensyvumo spinduliavimą skleidžia visomis kryptimis, pervertinome jų masę. Iš to darytina išvada, kad „itin spindulingų rentgeno blyksnių paaiškinimui vidutinės masės juodosios bedugnės nėra būtinos“, – teigia Wiktorowiczius.
Gal dar ką nors pražiūrėjome? Praėjusį lapkritį, Bülent Kiziltan iš Harvardo universiteto vadovaujama astronomų komanda paskelbė atradimą senųjų žvaigždžių kamuoliniame spiečiuje. Šie spiečiai pernelyg seni, kad juodąsias bedugnes juose būtų galima aptikti, stebint žvaigždžių grupių judėjimą ar akrecinių diskų švytėjimą. „Laikui bėgant, išorinio žvaigždžių kokono radiacija nupučia akrecinius diskus ir bet kokios gretimos žvaigždės jau būna surytos arba išsviestos lauk“, – sako Kiziltanas.
Jis su bendradarbiais sukūrė aptikimo metodą, paremtą pulsarų judėjimo kelio per dangų sekimu, kuriuo jie galėjo nustatyti labai menkus jų greitėjimo pokyčius. Komanda atkreipė dėmesį į spiečių 47 Tucanae, dar vadinamą 47 Tuc, matomą pietiniame pusrutulyje Tukano žvaigždyne. Jie išsiaiškino, kad kai kuriuos 47 Tuc pulsarus, be spiečiaus žvaigždžių, dar greitina papildoma gravitacija. Jų matavimais, tai turėtų būti centrinį JB, kurios masė 1450–3800 M☉, kaip tik pačiame IMBH ruožo viduryje. „Manoma, pagaliau ją radome“, – sako Kiziltanas. Nors vidutinio dydžio JB, manoma, ten aptikta, vargu ar kamuoliniuose spiečiuose gali glaustis pakankamai vidutinio dydžio JB. „Esame gan užtikrinti, kad jų nėra kiekviename kamuoliniame spiečiuje, – sako Kiziltanas. – Turi būti labai konkretūs parametrai, kad būtų sukurta ir išsilaikytų JB.“ Tankiausio ir masyviausio Paukščių Tako kaimynystėje esančio kamuolinio spiečiaus 47 Tuc visi parametrai tinkami, tačiau tai greičiau išimtis, o ne taisyklė. Gal Kiziltanas svarbų pavyzdį ir aptiko, bet trofėjų siena vis dar iš esmės tuščia.
Sėkmingos medžioklės plotai
Bet IMBH medžiotojams dar ne viskas prarasta. Pagalba pildant lentynas gali pasiekti iš netikėto šaltinio – kitų trūkstamų kosmoso objektų. Kol vieni astronomai po dangų žvalgėsi IMBH, kiti ieškojo trūkstamų nykštukinių galaktikų. Šios galaktikos, kaip sufleruoja pavadinimas, nėra didelės ir dažnai aptinkamos didelių galaktikų, tokių kaip Paukščių Takas, orbitose. Tik bėda, „nematome jų nė iš tol tiek, kiek reikėtų“, – sako Joseph Silk, astrofizikas iš Oksfordo universiteto.
Standartiniame kosmologijos modelyje galaktikos ir galaktikų spiečiai skendi inertiškoje neregimoje tamsiojoje materijoje, kurios gravitacija išlaiko šių darinių struktūrą. Kai astronomai atlieka kompiuterines galaktikų formavimosi ankstyvojoje visatoje simuliacijas, lieka daugybė nykštukinių nesusijungusių galaktikų. Tačiau tikroje visatoje jų regime daug mažiau. Silkas įvardina ir dar vieną problemą: matomų nykštukinių galaktikų centruose esančios žvaigždės sukasi nepakankamai greitai. Standartinė teorija numato, kad nykštukinių galaktikų šerdyse turėtų būti tamsiosios materijos „kūpsnis“, dėl kurio gravitacijos žvaigždės turėtų skrieti gerokai greičiau, nei matome.
Tokie neatitikimai paskatino kai kuriuos astronomus siūlyti persvarstyti tai, ką manome žiną apie tamsiąją materiją. Įprastai kosmologai tamsiąją materiją vadina „šalta“ – tai yra nerangią ir lėtai judančią, kaip šaltų dujų molekules. Bet jeigu tamsiosios materijos dalelių masė mažesnė, nei manome, jos būtų miklesnės ir ne taip linkusios burtis. „Ankstyvojoje visatoje ji būtų veikusi, kaip plaktuvas, sumaišantis visus ingredientus ir panaikinantis smulkesnes struktūras“, – sako Marla Geha iš Yale universiteto. Gl dėl to nematome tiek nykštukinių galaktikų, kiek jų numato standartinė kosmologijos teorija. Tokia judri, „šilta“ tamsioji materija taip pat būtų pernelyg nerami, kad apsistotų nykštukinių galaktikų centruose, dėl to susidarytų mažesnė šerdis, o ne kūpsnis, taigi ir lėčiau skriejančios žvaigždės.
Tai galima paaiškinimas, bet Silk linkęs naudoti ne tokias radikalias priemones. „Man keistai problemų sprendimas, išradinėjant naują fiziką, kai jas puikiausiai galima išspręsti ir žinoma fizika“, – sako jis. Praėjusį balandį publikuotame straipsnyje jis teigia, kad yra paprastesnis nykštukinių galaktikų mįslių sprendimas: daugumos jų centruose yra IMBH.
Iš pirmo žvilgsnio, Silko pasiūlymo logika aiški. Didelių galaktikų centruose juodosios bedugnės didelės, mažesnių galaktikų centruose – atitinkamai mažesnės. O mažesnėms galaktikoms buriantis į didesnes struktūras, jų centrinės juodosios bedugnės irgi susijungia.
Nykstantis dvigubas aktas
Vidutinio dydžio JB poravimasis su mažomis galaktikomis irgi logiškas. Nykštukinių galaktikų gyvenimo pradžioje IMBH netrūko dujų, kurių galingi išsiveržimai sunaikino didžiąją galaktikos dalį. „Lieka daugybė nykštukinių galaktikų, bet praktiškai visos jos mažos“, – sako Silkas. Tokios mažos galaktikos nėra ryškios ir tai paaiškintų, kodėl jas taip sunku išvysti. Ši idėja susilaukė paspirties lapkritį, kai astronomų komanda, vadovaujama Stacy Kim iš Ohio valstijos universiteto, naudodama „Sloan Digital Sky Survey“ duomenis, įvertino, kiek blyškių nykštukinių galaktikų turėtų būti netoli mūsų Paukščių Tako. Atsakymas iš esmės sutapo su šalta tamsiąją materija paremtos kosmologijos prognozėmis.
Kūpsnio problemą ankstyvos ir aktyvios IMBH irgi gali paaiškinti, nes jos rentgeno spindulių blyksniai būtų nubloškę didelę dalį centrinės tamsiosios materijos sankaupos. Tačiau su šia interpretacija sutinka ne visi. „IMBH paveiktų labai mažus regionus, tikriausiai gerokai mažesnius, nes mastelis, kuriuo ieškomi kūpsnių branduoliai“, – sako nykštukines galaktikas tyrinėjantis Andrew Cooper iš Durhamo universiteto, JK.
Netiesioginių IMBH buvimo nykštukinėse galaktikose įrodymų būta jau devintojo dešimtmečio gale. Tai, jeigu Silkas teisus, per visus vėlesniu dešimtmečius nepavyko rasti konkretesnių jų egzistavimo įrodymų ? Galimą atsakymą pateikė praėjusį kovą NuSTAR kosminio teleskopo stebėjimo duomenimis paremtas tyrimas. 40 stebėjimo mėnesių analizė rodo, kad mažos masės galaktikos absorbuoja daug rentgeno spindulių, todėl beveik pusės mažos masės galaktikų centruose esančių aktyvių JB sprogstamos emisijos absorbuojamos prieš pasiekdamos mus. Yra ir kita tokio slaptumo priežastis. Savo gyvenimo pradžioje joms ryjant dujas, susidarydavo blyksniai, nublokšdavę tolyn didžiąją dalį materijos, kuri būtų galėjusi tapti jų maistu. „Aktyvių JB turėtų būti 10 mažiau, nei pasyvių, – vertina Silkas. – Norint pamatyti rentgeno spindulius skleidžiančią juodąją bedugnę, reikia užklupti ją tinkamu metu.“ Ir net tokiu atveju, rentgeno spinduliavimo absorbciją atskleidžiantis NuSTAR stebėjimas rodo, kad mus pasiekia tik silpnas signalas. Dabartiniai rentgeno spindulių teleskopai, tokie kaip kosminė Chandra observatorija, nustumiama prie savo galimybių ribos. „Rentgeno spinduliavimą tiriantiems astronomams reikia itin pasistengti, – pažymi Silkas. – Todėl ši sritis tinkamo dėmesio ir susilaukė tik prieš metus ar du.“
Mezcua sutinka, kad nykštukinės galaktikos – labiausiai tikėtina trūkstamų IMBH paieškų vieta, nors nėra tokia užtikrinta, kaip jos ten atsidūrė. Yra dvi pagrindinės galimybės: arba jos susiformavo, kolapsuojant pirmosioms masyvioms žvaigždėms, arba, kai milžiniški dujų debesys sugniužo po savo svoriu. Antruoju mechanizmu susiformavusių IMBH masė būtų maždaug 10 didesnė, nei susiformavusių pirmuoju būdu, kas atitiktų kol kas aptiktus kandidatus, bet dėl proceso jautrumo jos būtų santykinai retos. Pasak Mezcua, „jei juodosios bedugnės susiformavo iš žvaigždžių, tada jos turėtų būti 90 procentų nykštukinių galaktikų.“ Ši dalis sumažėja iki 50 procentų, jeigu jos kilo iš dujų debesų. Silkas nusiteikęs optimistiškiau. „Pritaikius abu scenarijus, IMBH gali būti visose nykštukinėse galaktikose“, – sako jis.
Debatus galima išspręsti kartą ir visiems laikams: reikia ieškoti gravitacinių bangų. Kol kas kelis užfiksuotus gravitacinių bangų atvejus sukėlė neutroninių žvaigždžių arba žvaigždinės masė JB susiliejimas. „Tikimasi, kad kitas žingsnis bus susiduriančių IMBH aptikimas“, – viliasi Mezcua. Jeigu ir kai tai nutiks, ji pagaliau užbaigs savo kolekciją.
