Nobelio premija ir pirmasis juodosios skylės paveikslas

Tikriausiai girdėjote naujieną apie pirmąją mokslininko paskelbtą juodosios skylės nuotrauką. Ši nuotrauka buvo nuostabi žinia ne tik astronomijos sričiai, bet ir visam pasauliui. Ši nuotrauka buvo pirmas žingsnis link naujų informacijos durų. Visata su kiekviena nauja informacija tampa vis labiau apšviesta ir dėl to mes galime geriau suprasti visas paslaptis, esančias už mūsų planetos ribų.

Neseniai matėme, kaip dvylikai laureatų buvo įteiktos 2020 m. Nobelio premijos ir kaip vienas iš jų savo tyrimais ir atradimais nepaprastai prisidėjo prie žmonijos gerovės. Visi jie yra nuostabūs mokslininkai ir mes mielai čia kalbėtume apie kiekvieną iš jų, tačiau šiandien, kad geriau paaiškintume ir suprastume pirmojo juodosios skylės paveikslo kontekstą, kalbėsime apie Nobelio fizikos premijos laureatų Rogerio Penrose'o, Reinhardo Genzelio ir Andrea Ghez darbą.

Kaip rašoma oficialioje Nobelio premijos svetainėje, laureatai buvo apdovanoti "už atradimą, kad juodųjų skylių formavimasis yra patikima bendrosios reliatyvumo teorijos prognozė" ir "už supermasyvaus kompaktiško objekto atradimą mūsų galaktikos centre". Penrouzas įspūdingais matematiniais metodais įrodė, kad juodosios skylės yra susijusios su Einšteino reliatyvumo teorija, o Reinhardas Genzelis ir Andrea Ghezas savo darbais nenuginčijamai įrodė, kad iš tiesų mūsų Mėlynbarzdžio galaktikos centre yra juodoji skylė, šiandien žinoma Šaulio A* vardu.

Kad visiškai suprastume šią temą, turime žinoti keletą pagrindinių sąvokų apie juodąsias skyles, pavyzdžiui, "Kas yra juodoji skylė?"; "Iš ko jos sudarytos? Kur tokią galime rasti?"

Pirmiausia turime žinoti sąvoką, kuri dažnai vartojama daugelyje astronomijos srities temų, t. y. sąvoką, kas yra erdvėlaikis. Erdvėlaikis yra keturių matmenų daugialypė erdvė, trys erdvės ir vienas laiko matmuo, koordinačių sistemoje turėtume (x, y, z, t). Įdomu tai, kad vienas taškas šioje koordinačių sistemoje vadinamas įvykiu. Atsižvelgdami į tai, galime gauti juodosios skylės apibrėžtį.

Juodoji skylė yra erdvėlaikio sritis kur gravitacija tokia stipri, kad jokios dujos, dulkės, dalelės ar net šviesa negali ištrūkti iš jos! Visos jos dėl gravitacijos jėgos yra stipriai pritraukiamos į juodąją skylę ir išnyksta, nukeliaudamos į vietą, kuri mokslininkams ir šiandien lieka nežinoma. Įdomiausia tai, kad jei net šviesa negali išsivaduoti iš šios jėgos, neįmanoma pamatyti juodosios skylės ar net sužinoti, kur ji yra. Tai tas pats, kas pabandyti pamatyti juodą objektą juodame fone - nematysite, o jei ir pamatysite, tai labai sunkiai. Taigi, kaip mokslininkai tai daro?

Teoriškai juodosios skylės paprastai susidaro, kai baigiantis gyvavimo laikui suyra labai masyvi žvaigždė, daug sunkesnė už Saulę. Masė yra labai svarbus veiksnys, lemiantis, ar mirusi žvaigždė virs juodąja skyle, ar neutronine žvaigžde. Tokia itin masyvi žvaigždė dėl gravitacijos suspaudžiama į labai mažą erdvę, o tam, kad susidarytų juodoji skylė, ši kompaktiška masė, remiantis bendrąja reliatyvumo teorija, gali deformuoti erdvėlaikį.

Ši erdvėlaikio deformacija sukuria gravitacinio pagreičio jėgą, nukreiptą į tankios masės kūno centrą. Dėl šios jėgos netoli juodosios skylės esančios dujos ir dalelės pradeda suktis didesniu greičiu, nes yra priverstinai traukiamos į juodąją skylę. Šis reiškinys vadinamas Akrecinis diskas.

Dėl šios gravitacinės ir trinties jėgos visos dujos ir elektros krūvį turinčios dalelės sukelia ne tik temperatūros kilimą, bet ir įvairaus dažnio elektromagnetinę spinduliuotę, pavyzdžiui, infraraudonuosius ar rentgeno spindulius. Dėl šios nuostabios savybės juodąją skylę galima "pamatyti". Tai gerai, bet mokslininkų darbo 100 proc. nepalengvina, jūs turite dažnį, kurį galite sekti, bet vis tiek negalite pasakyti "o, žiūrėkite, ten, danguje, juodoji skylė". Juodosios skylės šviesos negalime prilyginti įprastos žvaigždės šviesai; jos labai skiriasi viena nuo kitos. Tačiau gera žinia yra ta, kad juodasis objektas iš pradžios dabar šiek tiek šviečia juodame fone.

Pirmoje juodosios skylės nuotraukoje matome akrecinį diską. Šiuo atveju juodoji skylė yra 6,5 mln. kartų sunkesnė už mūsų Saulę ir yra Messier 87 galaktikoje, už 53 mln. šviesmečių nuo Žemės. Šią nuotrauką pavyko padaryti naudojant aštuonių skirtingų teleskopų visame pasaulyje, "Event Horizon Telescope" ir kai kurių kitų kosminių teleskopų misijų laiką, kartu jie vienu metu užfiksavo duomenis iš M87, 2017 m. balandžio mėn. Kiekvienas iš jų užfiksavo skirtingus juodosios skylės duomenis, o vėliau viskas buvo sujungta į vieną vaizdą. Gali atrodyti, kad tai lengvas ir vieno žingsnio dalykas, tačiau mokslininkai turėjo daug dirbti, kad iki galo suprastų visus duomenis ir kaip su jais elgtis, kokį algoritmą naudoti ir kaip jį naudoti.

1997 m. paskelbtame straipsnyje Genzelis parodė, kad penkerių skirtingų metų (1992-1996 m.) surinkti duomenys užfiksavo greitai judančias žvaigždes, esančias netoli Sgr A*, ir kad šių žvaigždžių viduryje yra labai didelė ir sunki tamsioji masė. "Tokio tankio normalių žvaigždžių, žvaigždžių liekanų ar požvaigždinių darinių stabilios konfigūracijos nėra", - sakoma straipsnyje (GENZEL et al., 1997). Daroma išvada, kad "Pieno kelio branduolyje turi būti masyvi juodoji skylė".

Kitame 1998 m. publikuotame Ghez straipsnyje dvejus metus trukusiame tyrime aptiktas tas pats judančių pradžios taškų modelis toje pačioje vietoje, kaip teigiama straipsnyje, "žvaigždžių paviršiaus tankio ir greičio dispersijos viršūnės atitinka juodosios skylės kandidatės (tuo metu dar kandidatės) Sgr A* padėtį" (GHEZ et al., 1998). Tyrime naudoti vaizdai buvo gauti artimaisiais infraraudonaisiais bangų ilgiais, tokio dažnio, kokį skleidžia akrecinis diskas.

Pateikiame trumpą šių straipsnių sąrašą:

GENZEL, R. ir kt. Apie tamsiosios masės pobūdį Pieno kelio centre. Karališkosios astronomijos draugijos mėnesiniai pranešimai, t. 291, Nr. 1, p. 219-234, 11 egz. 1997.

GHEZ, A. M. et al. High Proper-Motion Stars in the Vicittarius A\ast: Mūsų galaktikos centre esančios supermasyvios juodosios skylės įrodymai. Astrofizikos žurnalas, t. 509, Nr. 2, p. 678-686, 1998 m. gruodžio mėn.

GHEZ, A. M. ir kt. Žvaigždžių orbitomis išmatuotas atstumas iki centrinės supermasyvios Mėnulio kelio juodosios skylės ir jos savybės. Astrofizikos žurnalas, t. 689, Nr. 2, p. 1044-1062, 2008 m. gruodžio mėn.

Argi visata nėra tokia graži?

Visa tai jau dabar yra neįtikėtina, tačiau dar daug kas laukia ateityje, kaip sakė Nobelio fizikos komiteto pirmininkas Davidas Havilandas, "...šie egzotiški objektai vis dar kelia daugybę klausimų, į kuriuos reikia atsakyti ir kurie skatina būsimus tyrimus. Ne tik klausimai apie jų vidinę sandarą, bet ir klausimai apie tai, kaip patikrinti mūsų gravitacijos teoriją ekstremaliomis sąlygomis netoli juodosios skylės". Ir mes būsime čia, vis dėlto nekantriai laukiame kitos pertraukos! Tuo tarpu dėkojame šių metų laureatams Roger Penrose, Reinhard Genzel ir Andrea GhezJūs esate nuostabus!

Jei taip pat norite paskaityti apie Rogerio Penrose'o darbą, čia rasite keletą straipsnių, kuriuose aprašomas jo darbas. Vienas iš jų buvo publikuotas kartu su legendiniu Stephenas Hawkingas. Šiuos straipsnius galite patikrinti ir čia:

HAWKING, S.; PENROSE, R. Erdvės ir laiko prigimtis. Amerikos fizikos žurnalas, t. 65, Nr. 7, p. 676-676, 1997 m. liepos 1 d.

EHLERS, J.; RINDLER, W.; PENROSE, R. Energijos išsaugojimas kaip reliatyvistinės mechanikos pagrindas. II. American Journal of Physics, t. 33, n. 12, p. 995-997, 1965 m. gruodžio 1 d.

NEWMAN, E.; PENROSE, R. Požiūris į gravitacinį spinduliavimą sukinių koeficientų metodu. Journal of Mathematical Physics, t. 3, n. 3, p. 566-578, 1962 m. gegužės 1 d.

PENROSE, R.; RINDLER, W. Energijos išsaugojimas kaip reliatyvistinės mechanikos pagrindas. American Journal of Physics, t. 33, n. 1, p. 55-59, 1965 m. sausio 1 d.

Jei ruošiate projektą ar pristatymą apie bet kurią astronomijos sritį, galite pasinaudoti Mind the Graph, kad jūsų turinys būtų veiksmingesnis, didaktiškesnis ir įdomesnis! Žinome, kad sunku gauti gerų nuotraukų šia tema, todėl esame čia, kad jums padėtume, galite peržiūrėti mūsų turinį apie astronomiją čia.

"Mind the Graph" rasite viską, ko jums reikia, o jei ne, galime jums padėti!

Gerinkime bendravimą mokslo srityje kartu! Ar esate pasirengę pabandyti?

Nobelio premija ir pirmasis juodosios skylės paveikslas

Prenumeruokite mūsų naujienlaiškį

Apie Fabricio Pamplona