Juodosios skylės – vieni mįslingiausių objektų Visatoje, apie jas astronomai žino nemažai, bet drauge nežino nieko. Šie monstriški objektai ryja aplink esančias žvaigždes, o, pakliuvus į juodosios skylės gravitacinį voratinklį, ištrūkti beveik neįmanoma.
Juodosios skylės – vieni mįslingiausių objektų Visatoje, apie jas astronomai žino nemažai, bet drauge nežino nieko. Šie monstriški objektai ryja aplink esančias žvaigždes, o, pakliuvus į juodosios skylės gravitacinį voratinklį, ištrūkti beveik neįmanoma. Nors atrodo, kad šių kosmoso siaubūnų nėra daug, astrofizikai sako, kad iš tikrųjų Visatoje jų gali būti šimtai milijardų. Negana to, juodosios skylės yra tokios ilgaamžės, kad mokslininkai mano, jog, net užgesus visoms žvaigždėms, garuojančios juodosios skylės galbūt bus paskutiniai spinduliuotės šaltiniai kosmose.
Juodoji skylė / NASA nuotr.
Apie tai, kas yra juodosios skylės, kaip jų atsiranda ir kas nutinka į jas patekus, LRT.lt daugiau papasakojo Fizinių ir technologijos mokslų centro astrofizikas dr. Kastytis Zubovas.
LRT.lt publikuoja tekstą iš straipsnių ciklo „Fundamentalūs klausimai“ – kiekvieną penktadienį mokslininkai mėgins atsakyti į pačius įdomiausius, labiausiai intriguojančius ir ramybės neduodančius mokslinius klausimus.
Vieta, iš kurios negali pasprukti net šviesa
Kaip paaiškino K. Zubovas, juodoji skylė yra objektas, o tiksliau – erdvės regionas, iš kurio neįmanoma ištrūkti. Jos gravitacinis laukas yra toks stiprus, kad net šviesa, judanti pačiu didžiausiu įmanomu greičiu – beveik 300 tūkst. kilometrų per sekundę, – nepajėgia jo įveikti. Kiekvieną juodąją skylę riboja paviršius, vadinamas įvykių horizontu, – jis atskiria erdvę, iš kurios sugrįžti galima, nuo erdvės, iš kurios pabėgti jau nebeįmanoma.
Mokslininkas įvardijo, kad atsidūrus už įvykių horizonto pabėgti neįmanoma, tačiau esant jo išorėje – vilties dar yra. Viskas priklauso nuo to, kaip arti objektas priartėja, jis gali būti visaip iškreiptas arba turės sunaudoti labai daug energijos tam, kad pabėgtų.
Kiek yra žinoma mokslininkams, dažniausiai juodosios skylės susiformuoja sprogstant masyvioms žvaigždėms. Pasak K. Zubovo, mūsų Saulė ja virsti negalėtų – ji liks baltoji nykštukė, bus maždaug Žemės dydžio ir išlaikys didžiąją dalį savo masės; virtusi nykštuke, ji bus sudaryta daugiausia iš anglies bei deguonies.
„Už Saulę aštuonis ar daugiau kartų masyvesnė žvaigždė gyvenimo pabaigoje sprogsta kaip supernova. Sprogimas įvyksta todėl, kad žvaigždės centre nustoja vykti termobranduolinės reakcijos, sukuriančios slėgį, besipriešinantį gravitacijai. Netekusi palaikymo, žvaigždės centrinė dalis sukrenta į save, taip vienu pliūpsniu išlaisvindama labai daug energijos, kuri numeta išorinius sluoksnius didžiuliu greičiu į šalis. Žvaigždės centras susitraukia į labai tankų darinį – neutroninę žvaigždę arba juodąją skylę.
Yra ir kitų galimų formavimosi būdų, bet jie daugiau hipotetiniai ir, jei taip ir vyko, tai buvo reikšminga tik pirmykštėje Visatoje (kai kurie – pirmus kelis šimtus milijonų metų po Didžiojo Sprogimo, kiti – tik sekundės dalis; dabartinis Visatos amžius yra 13,8 milijardo metų)“, – LRT.lt pasakojo astrofizikas.
Juodosios skylės gali reikšmingai pakeisti galaktikos raidą
K. Zubovas įvardijo, kad teoriškai juodosios skylės egzistavimas buvo numatytas 1916 metais, praėjus metams po bendrosios reliatyvumo teorijos paskelbimo. Visgi, pasak mokslininko, dar kelis dešimtmečius po šio matematinio atradimo astronomai svarstė, jog realybėje tokie dariniai egzistuoti negali, mat jie turėtų būti ypač tankūs, palyginus su įprastiniais kosminiais objektais, pvz., žvaigždėmis ar planetomis.
Kad Saulė taptų juodąja skyle, jos spindulį reikėtų sumažinti nuo dabartinių beveik 700 tūkstančių kilometrų iki trijų kilometrų. Buvo manoma, kad joks realus procesas nepajėgtų taip suspausti kūno.
Kaip aiškino astrofizikas, vėliau paaiškėjo, kad juodosios skylės tikrai gali susiformuoti ir realioje Visatoje. Prie šio suvokimo daug prisidėjo ir Rogerio Penrose`o 1965 metų darbas, už kurį šiemet skirta pusė fizikos Nobelio premijos. Aštuntojo dešimtmečio pradžioje apskaičiuota, kaip turėtų spinduliuoti dujos, esančios arti juodosios skylės, o 1964 metais aptiktas rentgeno spindulių šaltinis Gulbės žvaigždyne (Gulbės X-1) buvo pirmasis patvirtintas juodosios skylės pavyzdys.
„Kelias nuo matematinio sprendinio iki realių pavyzdžių atradimo ir patvirtinimo praplėtė supratimą ir apie ekstremalius reiškinius (labai stiprią gravitaciją, žvaigždžių evoliuciją gyvenimo pabaigoje ir pan.), ir apie, pavyzdžiui, galaktikų evoliuciją – kiekvienos galaktikos centre yra labai masyvi juodoji skylė, į kurią krentančių dujų spinduliuotė gali reikšmingai pakeisti galaktikos raidą“, – teigė K. Zubovas.
Pasak jo, supermasyvios juodosios skylės yra labai svarbūs galaktikų komponentai. Tiesa, kol kas nėra žinoma, kaip susiformuoja tokios didžiulės juodosios skylės.
„Kol kas nežinome, kaip jos iš tiesų atsirado. Jų masės daug didesnės nei žvaigždžių, bet gali būti, kad jos tiesiog užaugo rydamos aplinkines dujas. Dujos, artėdamos prie juodosios skylės, įkaista ir ima ryškiai spinduliuoti – jų skleidžiama šviesa gali nustelbti visos galaktikos žvaigždes. Taigi, tokia šviesa gali labai reikšmingai paveikti galaktikos evoliuciją: jos sukuriami vėjai išmeta dujas lauk iš galaktikos ir taip sustabdo naujų žvaigždžių formavimąsi; tiesa, išmetimo metu dalis dujų suspaudžiamos ir kuriam laikui žvaigždžių formavimasis pagreitėja. Bendras ilgalaikis efektas yra žvaigždžių formavimosi nuslopinimas, tačiau jo detalės – įvairialypės ir kol kas iki galo nesuprastos“, – pasakojo mokslininkas.
Gali egzistuoti šimtai milijardų juodųjų skylių
Anot astrofiziko, šiuo metu yra žinoma apie kelias dešimtis „žvaigždinių“ juodųjų skylių – tokių, kurių masės panašios į žvaigždžių. Šios juodosios skylės aptiktos per į jas krentančių dujų spinduliuotę, jos randamos dvinarėse sistemose ir visos yra Paukščių Take.
„Taip pat žinome apie šimtą žvaigždinių juodųjų skylių, aptiktų per gravitacinių bangų signalus jungiantis juodųjų skylių poroms. Visos jos yra ne Paukščių Take, o kitose galaktikose. Ne dėl to, kad Paukščių Take būtų sunkiau aptikti, bet todėl, kad juodųjų skylių susijungimai vyksta pakankamai retai, tad konkrečioje galaktikoje turėtų įvykti tik maždaug kartą per kelias dešimtis tūkstančių metų. Iš kitos pusės, pagal žvaigždžių skaičius vien Paukščių Take turėtų būti apie 500 milijonų juodųjų skylių, bet, jei jos yra vienišos, tai nėra iš kur imtis dujoms, kurios galėtų į jas kristi ir švytėti taip, kad pastebėtume. Todėl didžiosios dalies juodųjų skylių Paukščių Take aptikti kol kas negalime“, – paaiškino K. Zubovas.
Jis taip pat atkreipė dėmesį, kad kone kiekvienos galaktikos centre yra supermasyvi juodoji skylė. Tiesa, mokslininkai nėra aptikę jų egzistavimo kiekvienoje konkrečioje galaktikoje, bet, geriau paieškojus ir atlikus pakankamai detalius stebėjimus, visada randama ir juodoji skylė. Realiai išmatuotų supermasyvių juodųjų skylių astronomai žino kelis šimtus, tačiau Visatoje jų yra šimtai milijardų.
„Žvaigždinių juodųjų skylių masės yra maždaug nuo 5 iki 140 Saulės masių. Pastaroji atrasta neseniai per gravitacinių bangų signalą, ji susiformavo susijungus dviem juodosioms skylėms, kurių masės buvo 66 ir 85 Saulės masės. Supermasyvių juodųjų skylių masės yra nuo maždaug 50 tūkstančių iki 40 milijardų Saulės masių, o mūsų Paukščių Tako centre esančios juodosios skylės masė apie 4,2 milijono kartų viršija Saulės masę“, – įvardijo K. Zubovas.
Patekęs į juodąją skylę žmogus virstų makaronu
„Bet kokį objektą, artėjantį prie juodosios skylės, jos gravitacija bando ištempti, nes artimesnę juodajai skylei pusę traukia stipriau nei tolimesnę. Lygiai taip pat Mėnulio gravitacija sukelia potvynius Žemėje, taigi, čia nėra nieko egzotiško ar būdingo tik juodosioms skylėms. Tiesiog juodoji skylė, būdama labai kompaktiška, gali ištempti objektus stipriau“, – aiškino astrofizikas.
Pasak jo, žvaigždę taip pat gali suplėšyti, tačiau ne visos juodosios skylės. Jei juodoji skylė maža, žvaigždė pro ją pralėks greitai ir gali tik prarasti šiek tiek paviršinės medžiagos. Jei juodoji skylė labai didelė, žvaigždė gali įkristi pro įvykių horizontą nesuardyta. Žvaigždžių suardymai įvyksta prie juodųjų skylių, kurių masės yra nuo keliasdešimt tūkstančių iki keliasdešimt milijonų kartų didesnės nei Saulės. Suardyta žvaigždė tampa dujų srautu, kuris gali įkristi į juodąją skylę arba suformuoti aplink ją diską ir imti ryškiai spinduliuoti.
Savo ruožtu žmogaus, patekusio į juodąją skylę, lauktų panašus likimas kaip ir žvaigždės – artėdamas prie mažos juodosios skylės, žmogus būtų ištemptas į makaroną ir neišgyventų. Toks reiškinys netgi oficialiai vadinamas „spagetifikacija“. Tačiau jei žmogus patektų į didelę, kelių dešimčių milijonų Saulės masių juodąją skylę, žmogus galėtų įkristi pro įvykių horizontą ir išgyventų. Tačiau niekas nežino, kas jam nutiktų viduje.
Koks likimas lauktų Žemės, jeigu Saulės sistemoje atsirastų juodoji skylė? K. Zubovo teigimu, viskas priklauso nuo juodosios skylės masės ir padėties.
„Jei juodosios skylės masė būtų tokia, kaip žvaigždės, jos gravitacija ištampytų planetų orbitas, gal pasigautų jas ir nusitemptų su savimi. Jei juodoji skylė atsirastų Saulės vietoje, o Saulė pranyktų ir juodosios skylės masė būtų tokia pati, kaip Saulės, tai planetos toliau ramiai skrietų savo orbitomis, tik tiek, kad sušaltų“, – dėstė mokslininkas.
Kartais juodosios skylės susijungia tarpusavyje
Astrofiziko teigimu, juodąją skylę teoriškai įmanoma sukurti ir tyčia, dirbtinai. Tereikia suspausti medžiagą taip, kad ji sumažėtų iki dydžio, mažesnio nei įvykių horizontas.
„Įvykių horizonto spindulys yra tiesiogiai proporcingas masei: Saulei jis yra apie 3 km, Žemei – apie 9 mm. Praktiškai kol kas toli gražu neturime tokių techninių galimybių ir nežinia, ar kada nors turėsime“, – tikino K. Zubovas.
Juodosios skylės kartais ir susijungia tarpusavyje – tuomet gauname gravitacinių bangų signalą. Kaip aiškino mokslininkas, bet koks objektas, judantis su pagreičiu, sukuria gravitacines bangas. Dažniausiai jos yra tokios silpnos, kad užfiksuoti neįmanoma, tačiau jei objektas yra labai masyvus, o pagreitis labai didelis, bangos būna reikšmingos.
„Dvinarėje sistemoje juodosios skylės būtent taip ir juda. Išspinduliuodamos bangas, jos netenka energijos ir artėja viena prie kitos, kol galiausiai susijungia. Bangų dažnio bei intensyvumo kitimas proceso metu yra labai specifinis, todėl, užfiksavus signalą, galima nustatyti, kokiu atstumu įvyko susijungimas, kokios masės objektai susijungė ir kokia naujojo objekto masė. Turint keletą detektorių, galima nustatyti ir susijungimo kryptį“, – pasakojo astrofizikas.
Visos žvaigždės užges, tačiau juodosios skylės vis dar spinduliuos?
Joks objektas Visatoje negali egzistuoti amžinai. Tas pats galioja ir juodajai skylei. Kas nutinka, kai ji miršta? Kiek laiko ji gali gyventi? Kaip aiškino mokslininkas, juodosios skylės paprasčiausiai... išgaruoja.
„Vakuume nuolatos atsiranda ir pranyksta dalelių porų – tai vadinama vakuumo fliuktuacijomis. Jei pora susiformuoja prie pat juodosios skylės įvykių horizonto, viena iš dalelių gali pakliūti į juodąją skylę ir tada nebegalės susidurti su porininke bei pranykti. Porininkė tada gali pabėgti iš juodosios skylės prieigų į aplinką, bet detalūs skaičiavimai rodo, kad taip pabėgdama ji įgyja truputį energijos, kurios atima iš juodosios skylės. Taip juodoji skylė po truputį praranda energiją, o kartu ir masę. Šis procesas vadinamas Hawkingo spinduliuote. Jis yra teorinis – numatomas spinduliuotės intensyvumas toks menkas, kad praktiškai jo aptikti neturime galimybių. Tačiau jis rodo, kad juodoji skylė gali išgaruoti“, – tikino K. Zubovas.
Anot mokslininko, juodosios skylės garavimo trukmė priklauso ir nuo jos masės – kuo ji didesnė, tuo ilgiau garuoja. Kaip jis aiškino, proporcingumas yra kubinis, todėl dvigubai masyvesnė juodoji skylė garuos aštuonis kartus ilgiau.
„Astrofizikinių – žvaigždinių ir supermasyvių – juodųjų skylių garavimo laiko skalės yra daugybę kartų didesnės už dabartinį Visatos amžių. Kai juodoji skylė garuoja, iš jos lekiantys Hawkingo spinduliuotės fotonai tampa vis energingesni, jų išspinduliuojama vis daugiau, procesas vis greitėja, taigi, prieš išgaruodama kurį laiką juodoji skylė tampa ryškiu energingos – rentgeno ir gama – spinduliuotės šaltiniu. Remiantis kai kuriais modeliais, būtent garuojančios juodosios skylės bus paskutiniai spinduliuotės šaltiniai Visatoje jau gerokai po to, kai bus užgesusios visos žvaigždės“, – teigė mokslininkas.
Dar vienas energijos šaltinis?
Juodoji skylė yra ekstremali gamtos jėga, turinti labai daug energijos, kurios prikaupia augdama, rydama dujas. Natūraliai kyla klausimas, ar juodosios skylės galėtų būti panaudojamos kaip tam tikras energijos šaltinis.
Pasak K. Zubovo, yra du būdai, kaip žmonės galėtų išgauti energijos iš juodosios skylės.
„Vienas būdas – krentančios dujos ir jų spinduliuotė. Priklausomai nuo sąlygų, krentančios dujos išspinduliuoja maždaug nuo 6 iki 42 proc. rimties masės energijos (tos, kuri užrašoma garsiąja formule E = mc^2). Vienas medžiagos kilogramas galėtų išskirti apie 200 milijonų kartų daugiau energijos, nei kilogramas sudeginto benzino, arba tūkstantį kartų daugiau, nei kilogramas skylančio radioaktyvaus urano -235U. Aišku, reikėtų tą išspinduliuojamą energiją kaip nors pagauti“, – dėstė astrofizikas.
Taip pat galima išnaudoti ir juodosios skylės sukimąsi aplink savo ašį. Mokslininkas įvardijo, kad dėl sukimosi dujos gali būti išmetamos tolyn nuo juodosios skylės didžiuliu greičiu siauru pluoštu, vadinamąja čiurkšle.
„Čiurkšlė atsiranda dėl dujų magnetinio lauko, jis susisuka į siaurą tunelį. Jei galėtume išnaudoti šią sukimosi energiją, galėtume jos išgauti panašius kiekius, kaip ir iš krentančios medžiagos spinduliuotės, tačiau nereikėtų tiek daug krentančių dujų. Žinoma, išgaunant energiją, juodosios skylės sukimasis lėtėtų“, – LRT.lt sakė K. Zubovas.
Mokslininkas atkreipė dėmesį, kad, remiantis „Enerdata Yearbook“ duomenimis, praėjusiais metais žmonija sunaudojo apie 14 tūkst. Mtoe energijos, normaliais vienetais tai yra beveik 6*10^20 džaulių. Padaliję šį skaičių iš šviesos greičio kvadrato gausime, kad tai atitinka maždaug 6,5 tonos medžiagos rimties masės energijos.
„Jei iš juodosios skylės galime išgauti 10 proc. tokios energijos, tai mums reikėtų jai sumaitinti 65 tonas medžiagos (bet kokios, čia svarbu tik masė), kad gautume pakankamai energijos visos Žemės metiniams poreikiams patenkinti. Tam teoriškai pakaktų turėti trijų milijardų tonų masės juodąją skylę – nykstamai mažą, lyginant su astrofizikinėmis.
Aišku, čia neatsižvelgiau į tokius dalykus, kaip energijos pagavimo ir perdavimo efektyvumas ir t. t., bet tai jau techniniai iššūkiai, kurių sprendimus padiktuotų tos ultrafuturistinės technologijos, apskritai leisiančios galvoti, kad iš juodosios skylės galima išgauti energijos“, – tikino K. Zubovas.
