Juodosios skylės, gravitacija, neutronai – naujas tekstas apie įmantrius dalykus astrofizikoje ir kosmologijoje
Apie neutronines žvaigždes (jas sudaro neutronai), rašėme “Astro dalelės…”. Aiškėja jų sandara: plona kelių centimetrų ar metrų vandenilio ir helio atmosfera; nestora 1-2 km pluta iš sunkiųjų atomų ir plaukiojančių elektronų. Giliau tankis dar labiau didėja iki žvaigždės branduolio, kur laksto neutronai, su galybe neutronų, gal su kvarkais ir hiperionais viduje. Siaubingo tankumo sąlygomis gravitacijos veikiami protonai ir elektronai neutronizuojasi (atsiranda neutronai). Sumažėja iki kelių femtometrų ir pavirsta lyg supertakia materija – kvarkų skysčiu. Tokį beklampį takumą liudija pastebėti pulsarų sukimosi netolygumai.
Juodosios skylės ir gravitacija
Apie gravitaciją irgi rašėme “Gravitacinės bangos – trikdžiai ?”. LIGO ir Virgo detektoriai 2015 m. registravo tris atvejus: dvi juodosios skylės (30-ties Saulių masyvumo) susidūrė prieš 1,3 mlrd metų; fiksuotas 0,2 s trukmės atgarsis, kitų (23 ir 13 S masių) ir dar dviejų (14 ir 7 Saulių) signalai. 2017 08 17 abu detektoriai vienu metu “pajuto” gravitacinę bangą nuo dviejų 130 mln šm tolumo neutroninių žvaigždžių. Jos spirališkai artėdamos susiliejo į juodąją skylę. Taip įvyko pirmas istorijoje neutroninių žvaigždžių atvejis, lygiagrečiai stebint ir jų spinduliuotes. Pirmąsyk gauta naujų duomenų apie tokius kataklizmus. Fizikai šiuos reiškinius laiko didžiausiais energijos pliūpsniais po Didžiojo Sprogimo.
Pavyko įvertinti žvaigždžių matmenis – tik 11-12 km – bei mases – 1,4 didesnės už Saulės, skaičiuojami siaubingi tankiai ir temperatūros. Dar kartą stebina maži matmenys, kai neįmanoma aprašyti fundamentinėmis būsenų lygtimis. Gal neutroninių žvaigždžių (sudaro tik neutronai), materija nėra atominės struktūros, o supertakių neutronų skysta kvarkų masė? Atrodo, teoriškai krypstama link branduolinės ir gravitacinės fizikų mišinio. Kaip bebūtų, gravitacija tapo vienintele iš 4 fundamentinių jėgų (elektromagnetinių, stipriųjų branduolinių, silpnųjų atominių), neaprašoma kvantinės mechanikos dėsniais.
O gravitacinės bangos – erdvėlaikio kontinuumo trimačiai svyravimai. Stebėtų juodųjų skylių tyrimai ir nauji faktai turėtų įnešti aiškumo apie jų susidarymą ir įtaką galaktikų raidai, juolab dar 1974 S.Hawking įtarė jų “nugaravimą” dėl kvantinių efektų (dM/dt = h*c4/15360piG2M2 intensyvumu, kur h – Planko konst).
Juodosios skylės ir neutronai
Juodosios skylės vaizduojama kaip piltuvėlio formos kosminis bedugnis dulkiasiurblis su siaubingo didumo gravitacija singuliarumo smaigalyje bei šviesos žiedu ir nukarusiais ugnies (100 MK karščio) lašais, plazmos čiurkšlėmis (džetais). Tokios gravitacijos sąlygomis II-sis kosminis greitis tampa didesniu už šviesos, tad iš ten neprasiveržia nei spinduliuotės, nei materija. Bet vyksta apie 230 t/s Hawking “nugaravimo”, kuriam intensyvėjant ištinka sprogimas (ekvivalentiškas milijonams atominių bombų).
Teleskopas Chandra fotografavo juodąsias skyles Messier 87 galaktikoje (net 6,5 mlrd Saulių masyvumo) ir Pegaso žvaigždyne Q2237, kuri sukasi beveik šviesos greičiu. 2019 04 10 paskelbtas I-sis M 87 foto atvaizdas iš 55 mln šm tolumos, kurį K.Bauman šiemet sintezavo iš 6 teleskopų pagal savą algoritmą foto duomenims vizualizuoti ir pavadino “Powehi” (havajietiškai – begalinės kūrybos išpuoštas tamsus šaltinis). Aptiktosios juodosios skylės yra 2 rūšių: žvaigždinės (iš 20 kartų masyvesnių už Saulę žvaigždžių liekanų) ir ultramasyviosios (bent 100 tūkst Saulių).
EHT ir juodosios skylės
Mūsų galaktikos SgrA juodoji skylė – bent 1,5 tūkst kartų mažesnė už M87. Joms stebėti kuriamas EHT (Event Horizon Teleskope), sinchronizuojant 3 Amerikos žemynuose esančius, Europos, Havajų ir Antarktidos radioteleskopus. Duomenims apdoroti sutelkta 200 mokslininkų iš 60 įstaigų komanda, jau turinti juodosios skylės sukimosi pasikliautinų įrodymų. Pagal masyviųjų žvaigždžių gausėjimo spartą spėjama vien mūsų galaktikoje esant bent 100 mln juodųjų skylių (po vieną skylę trims tūkstančiams žvaigždžių).
Įvykių horizonto teleskopas (Event Horizon Telescope) pirmą kartą istorijoje sugebėjo nufotografuoti juodąją bedugnę galaktikos M87 centre. Nuotraukoje matomas šviesus žiedas susiformavęs dėl šviesos spindulių lūžio 6.5 milijardų kartų už Saulę masyvesnės juodosios skylės gravitaciniame lauke. (Event Horizon Telescope Collaboration)
Veikiantieji įvairiuose spinduliavimo dažnių diapazonuose teleskopai Hubble, Spitzer, Chandra ir kiti teikia galimybių kokybiškiau stebėti ne tik juodąsias skyles, bet ir tokius mįslingais laikytus objektus kaip Krabo ūkas. Subendrinus jų vaizdus radijo, infraraudonųjų, matomųjų, ultravioletinių, rentgeno ir gama dažniais, pavyko spalvingai pamatyti ir ūke evoliucionuojantį pulsarą. Dar 1995 m. National Geographic Society skelbė Orion ūko, Abell 2218 gravitacinių lęšių, Cartwheel galaktikos vaizdus iš Hubble kosminio teleskopo.
Gravitacija ir matavimai
Prieš 220 metų H. Cavendish mėgino matuoti gravitaciją ir net Žemės masę (13 mln mlrd mlrd svarų) bei tankį (5,18 g/cm3), 17 kartų eksperimentuodamas su 2 švininiais rutuliais po 140 kg ir mažesnėmis sferomis.
K. Schwarzschild prieš 100 metų pradėjo juodųjų skylių teoriją ir pasiūlė erdvėlaikio ribą ties skyle vadinti „įvykių horizontu“, už kurio ištinka vadinamasis gravitacinis singuliarumas, bei formulę didumui apskaičiuoti (vad Švarcšildo spindulys rs = 2GM/c2 – Saulės masės juodoji skylė būtų 3 km dydžio, gi minėtoji M87 – apie 20 Tm, gal ir daugiau?). Dabar kinų mokslininkai tikslina gravitacinės konstantos vertę svyruokliniais eksperimentais – 6,674184 ir 6,674484 (*10-11 N.m2/kg2), nors visuotiniau priimta 6,67408*10-11.
0,37 t NICER (Neutron star Interior Explorer) nuo 2017 iš TKS 56 rentgeninių veidrodžių komplektu matuoja pulsarų parametrus, ypač greit besisukančių neutroninių žvaigždžių (sudaro neutronai), su galingais magnetiniais laukais, bei stebi juodąją skylę J1820+070. Dar aptiko du J17062-6143 nepaprastai kompaktiškus binarinius pulsarus, besisukančius viens aplink kitą 38 min periodu ir pulsuojančius 163 Hz dažniu, nors juos skiria nedidelis 300 Mm atstumas. NICER per du metus kartografavo dangų ir sudarė rentgeninių objektų danglapį. Lygiagrečiai vykdo praktiškesnius eksperimentus: rentgeninio pacientų skenavimo ir rentgeninės komunikacijos.