Juodoji skylė ir Visata – nuo XVIII amžiaus teorijos iki XXI amžiaus stebėjimų
Nobelio premiją už gravitacijos ir juodųjų skylių tyrimus gavęs Kip Thorne pagelbėjo filme Interstellar sukuriant Gargantiua juodosios bedugnės vaizdus
Dar 1796 metais P. de Laplace veikale „Pasaulio sistemos išdėstymas“ teoriškai nuspėjo tokių labai susitankinusių kosmoso objektų egzistavimo tikimybę, o 1969 fizikas J. Wheeler sugalvojo juodosios skylės (JSk) terminą ypač didelių tankio ir gravitacijos erdvėlaikio sričiai. „Juodoji“ todėl, kad nėra lengvai matoma, ir „skylė“, nes lig šiol neaiški jos forma.
Beje, ir dabar juodosios skylės aptinkamos rentgeno spinduliuočių dėka, kai didžiuliais greičiais įsuktos ir diske įkaitintos dujų molekulės pradeda spinduliuoti. Nors jau 1915-ais K. Schwarzschild išmąstė „masyvų ir tankų kūną susukant aplinkinį erdvėlaikį į kokoną“, dabar manoma JSk susidarant masyvių žvaigždžių kolapso pasėkoje ar susiliejant milijonams žvaigždžių. Jis sugalvojo ir singuliarumo terminą (gal kvantinės būsenos), beje pats būdamas mirtinos būsenos Rusijos fronto ligoninėje. Vėliau jo sūnus Martin išleido veikalą „Žvaigždžių sandara ir evoliucija“.
1939 R. Oppenhaimer pasiūlė JSk laikyti masyvių žvaigždžių pomirtine stadija: gravitacija stengiasi masyvią žvaigždę suslėgti iki taškinio didumo, bet pastaroji priešinasi kol pasibaigus branduoliniam „kurui“ ir spinduliavimo procesams ji tampa neutronine. Net jos pluta įgyja milžinišką tankį (iki 1014 t/m3 , Žemėje 1 arbatinis šaukštelis tokios plutos svertų 100 mln tonų). Spėjama evoliucionuojant neutroninės žvaigždės magnetinį lauką (gal į multipolinį), dėl ko vyksta galingi energijos pliūpsniai 1033 – 1038 J/s.
Stipriausius magnetinius laukus iki 1 TT (terateslos – 1012 T) turinčias neutronines žvaigždes vadina magnetarais, o besisukančias ir spinduliuojančias galybę materijos – pulsarais. PSRJ 1748 esanti 18 tūkst šm tolumoj yra 2 kartus masyvesnė už Saulę tik 16 km didžio ir sukasi apie ašį 716 aps/s (43 tūkst aps/min).
1960-ais Nobelio laureatas S. Chandrasekhar apskaičiavo neutroninės žvaigždės kritinę masę (būtiną JSk formavimuisi), o 1983 sukūrė veikalą „Matematinė JSk teorija“. 1963 M. Schmidt aptiko kvazarų, kurie pasirodė esą ypač masyviomis JSk, bet materijos tokios gausos sukaupimo procesas tebėra neaiškus. Spėjama, kad gravitacija suslegia materiją į milžinišką diską, kuris sukdamasis įkaista iki milijonų laipsnių.
Juodųjų skylių stebėjimai
Rentgeniniai astroskopai pastebėjo mažesnių JSk, „siurbiančių“ materiją iš gretimos žvaigždės (dviguba sistema, pvz Cygnus X-1 maždaug 21 Saulių masės 6 tūkst šm nuo mūsų). 2017 registruodama gravitacines bangas LIGO galutinai patvirtino JSk egzistavimą, o M87 (53 mln šm tolumoj) stebėjimai – ir „kosminius dinozaurus“.
Juodoji skylė apibrėžiama, kaip didelės masės labai suslėgtos materijos sankaupa su įvykių horizontu. Už jo ribų neprasiskverbia net šviesa ir apibūdinamą Schwarcschildo spinduliu, o pačiame viduryje – singuliarumą (lot. singularis – vienaskaita). Spėjama jame neveikiant fizikos dėsnius. Galbūt JSk veikia gravitacijos (F = G*m1*m2/r2) ir kvantinės fizikos dėsniai. Juos, galbūt, į vieningą teoriją sudėlios stygų teorija. Jau egzistuoja JSk klasifikacija: – žvaigždinės JSk (bent 20 Saulių masės ir 15 km didumo); – supermasyviosios (tūkst ir net mlrd kartų masyvesnės); – pirmykštės (mažiausios, gal nuo Didžiojo Sprogimo momento).
2020 Nobelio premija teko R. Penrose „už įrodymą, kad juodųjų skylių egzistavimas patvirtina bendrąją reliatyvumo teorija“, o R. Genzel ir A. Ghez „už supermasyvaus objekto atradimą mūsų galaktikoje“. Nors šį objektą lyg pastebėjo B. Balik ir R. Brown dar 1974-ais, daug metų nebuvo tikresnių duomenų (trukdė dujų ir dulkių šleifai), kol pavyko įvertinti Sagittarius A didumą apie 32 Saulių ir 4 mln Saulių masę. Didžiausia JSk Visatoje yra TON 618 – 66 mlrd Saulių masė 10,37 mlrd šm toliuose. Už mūsų Saulės sistemą TON 618 yra didesnė apie 40 kartų.
Įvykių horizonto teleskopas (Event Horizon Telescope) pirmą kartą istorijoje nufotografavo juodąją skylę galaktikos M87 centre. Šviesus žiedas susiformavo dėl šviesos spindulių lūžio 6.5 milijardų kartų už Saulę masyvesnės juodosios skylės gravitaciniame lauke. (Event Horizon Telescope Collaboration)
2019-ais 215 mln šm tolumoje stebėta supermasyvi juodoji skylė ištempė žvaigždę tarsi spageti makaroną ir prarijo „vienu kąsniu“. Taip nutinka žvaigždėms pernelyg priartėjus prie gravitacinio „šulinio“ ir ryškiai sušvitus rijimo metu. Tokį AT2018fxk (50 mln Saulių masės 860 mln šm tolyje) blykstelėjimą stebėjo rentgeniniai astroskopai Newton ir Čandra bei TKS esantis NICER.