Rašytojas fantastas Arthuras C. Clarke`as yra pasakęs, jog labai pažangias technologijas kartais sunku atskirti nuo magijos. Ir Visatoje kai kuriuos objektus bei vykstančius procesus net mokslininkams sunku suvokti protu. Tai – puiki proga, pasitelkus meno įtaigą, pateikti savo hipotezes bei paaiškinimus.
Naujojo mokslinio fantastinio epo „Tarp žvaigždžių“ herojai yra juodosios skylės ir hipererdviniai tuneliai į kitas galaktikas, vadinami kirmgraužomis. Šis filmas – Stanley Kubricko „2001 metų kosminės odisėjos“ idėjinis palikuonis.
Postmoderni variacija fantastikos klasikos tema. Jo autoriai nusprendė papasakoti istoriją apie žmonijos pastangas išsiveržti iš savo Galaktikos, palikti nualintą Žemę ir rasti jos pakaitalą, pasinaudojant kažkieno atvertais žvaigždžių vartais netoli Saturno. Astronautai šioje įspūdingoje kelionėje patiria ir juodosios skylės poveikį. Tai tampa vieno dramatiškiausių juostos epizodo pagrindu.
Juodųjų monstrių paslaptys – neįmintos
Šie itin sunkūs ir tiesiogiai nematomi dangaus kūnai tebėra vieni paslaptingiausių objektų, kurių savybes ir reikšmę Visatos evoliucijai jau ne vienerius metus tiria astrofizikai ir kitų sričių specialistai. Jau XVIII amžiuje filosofas Johnas Mitchellas, matematikas Pierre-Simonas LaPlace ir kiti pradėjo įtarti, kad Visatoje galėtų egzistuoti tokie dideli ir masyvūs objektai, iš kurių nepajėgtų ištrūkti šviesa.
Astrofizikas dr. Kastytis Zubovas laidai „Mokslo ekspresas“ pasakoja, kad apie juodąsias skyles pradėta galvoti, kai suformuluota reliatyvumo teorija. Anot jo, Karlas Schwarzschildas išsiaiškino, kad reliatyvumo teorija leidžia egzistuoti objektams, iš kurių negalėtų niekas ištrūkti.
„O jeigu kas nors į tą objektą patenka, tai nebepabėgs. Tai buvo pirmi pamąstymai apie juodąsias skyles, bet ilgai buvo galvojama tik kaip apie teorinius konstruktus“, – teigia K. Zubovas.
Aštuntame praeito amžiaus dešimtmetyje astronomai pagaliau aptiko tokių objektų, kurių spinduliuotės nebuvo įmanoma paaiškinti kitaip, kaip tik juodosios skylės ir aplink ją esančių dujų sąveika.
„Pirmieji tokie atrasti objektai buvo dvinarės žvaigždės, kur viena mums įprasta žvaigždė, antai Saulė, sukasi apie juodąją skylę ir juodosios skylės trauka traukia medžiagą nuo žvaigždės. Ta medžiaga krenta į juodąją skylę, labai įkaista ir spinduliuoja charakteringą šviesą, kuri nepanaši į žvaigždės spinduliuotę“, – aiškina K. Zubovas.
Vienas didžiausių siurprizų laukė mokslininkų, kai maždaug prieš 20 metų paaiškėjo, jog daugumos galaktikų centruose egzistuoja labai masyvios juodosios skylės. Tokia skylė yra ir Paukščių Tako galaktikos centre, daugiau kaip keturis mln. kartų sunkesnė už Saulę. Tačiau iki šiol neaišku, kaip susiformuoja tokios milijonų ir net milijardų Saulės masių dydžio pabaisos, galinčios į gabalus sudraskyti ir praryti prie jų neatsargiai priartėjusias žvaigždes ar kitus dangaus kūnus.
„Apie tai, kaip susiformuoja žvaigždinės masės juodosios skylės, randamos dvinarėse žvaigždėse, mes žinome. Masyvios žvaigždės, baigusios savo gyvenimą, sprogsta supernovomis, o po supernovos sprogimo gali likti neutroninė žvaigždė arba juodoji skylė“, – teigia K. Zubovas.
Tačiau supermasyvios juodosios skylės tokiu būdu iš žvaigždžių atsirasti negalėjo. Kol kas yra tik keletas hipotezių, kurias dar reiks patikrinti.
Pasak K. Zubovo, viena teorija teigia, kad pačios pirmosios žvaigždės, susiformavusios netrukus po Didžiojo sprogimo, galėjo sprogti ir palikti juodąsias skyles, kurios per daugybę metų, prisijungdamos aplinkinę medžiagą, užauga iki tokių, kokias matome dabar. Kiti mokslininkai teigia, kad tos juodosios skylės iš karto atsirado jau labai masyvios. Jos tokios galėjo atsirasti, todėl, kad sąlygos ankstyvoje Visatoje buvo kiek kitokios negu dabar.
Patekti vidun galima, ištrūkti – ne?
Todėl anuo metu galėjo formuotis į žvaigždes panašūs dariniai, kurių masės siektų šimtus tūkstančių Saulės masių. Kuris iš šių modelių teisingas, kol kas atsakymo nėra. Kur kas lengviau paaiškinti, kodėl visos jos tūno galaktikų centruose.
„Gravitacinė sąveika tarp daugelio objektų veikia taip, kad kuo masyvesnis objektas yra, tuo jis greičiau skęsta bet kokio telkinio centre. Jeigu turime supermasyvią juodąją skylę, dėl gravitacinių sąveikų su galaktikos žvaigždėmis ir dujomis ta juodoji skylė po truputį iriasi į galaktikos centrą“, – aiškina K. Zubovas.
Laimei, tokios milžiniškos skylės apskritai nesielgia tarsi dulkių siurbliai, sutraukiantys viską aplinkui. Juodoji skylė traukia taip pat, kaip bet kuris kitas tokios pat masės objektas. Jeigu mūsų Saulę pakeistume tokios pat masės juodąja skyle, ji susitrauktų iki kelių kilometrų skersmens rutuliuko, bet Žemė ir toliau apie ją suktųsi. Tačiau situacija pasikeistų iš esmės, jeigu neatsargiai priartėtumėte pernelyg arti jos ir peržengtume įvykių horizontą.
„Įvykių horizontas – tai paviršius, pro kurį iš išorės patekti įmanoma, tačiau iš vidaus pabėgti jau nebeišeina. Ir jis yra labai mažytis. Saulės masės juodosios skylės įvykių horizontas būtų 3 km spindulio. Prie juodosios skylės galima priartėti gerokai arčiau, negu prie žvaigždės, ir ten trauka pasidaro labai stipri. Tuo juodosios skylės skiriasi nuo kitų kūnų“, – „Mokslo ekspresui“ pasakoja K. Zubovas.
Visa tai nutinka dėl milžiniškos gravitacijos, iškreipiančios ne tik erdvę, bet ir laiką. Jeigu ant dvimačio ištempto tinklo padėtume kokį nors sunkų objektą, tinklas įlinktų. Kuo svoris didesnis, tuo gilesnis įdubimas. Juodosios skylės iškreipia trimatę erdvę, keičia ir laiko tėkmę.
„Bet koks masę turintis kūnas apie save erdvę iškreipia. Tai – viena iš reliatyvumo teorijos prognozių, kuri buvo patikrinta dar trečiame dešimtmetyje, kai buvo pamatyta, kad šalia Saulės disko matomų kitų žvaigždžių padėtys atrodo kitokios, nei kada Saulė yra kitur. Taigi šviesa eidama pro Saulę užlinksta. Šviesa, eidama šalia juodosios skylės, irgi užlinksta. Kuo arčiau juodosios skylės, tuo labiau užlinksta“, – pasakoja astrofizikas.
Buvo manoma, kad iš juodosios skylės niekas nebegali ištrūkti. Tačiau kosmologas Stephenas Hawkingas, remdamasis kvantinės mechanikos efektais teigia, jog tai ne visiškai tiesa. Net šie itin masyvūs objektai gali spinduliuoti.
„Kvantinė mechanika sako, jog tai, ką mes suprantame kaip vakuumą, iš tiesų nėra vakuumas. Tai – tarsi jūra įvairių dalelių, kurios labai trumpai staiga atsiranda ir išnyksta. Jos gali turėti įvairias energijas. Tos dalelės visada atsiranda ir išnyksta poromis. Jeigu dvi dalelės atsiranda palei pat juodosios skylės įvykių horizontą, viena išorėje, o kita viduje, tai viena dalelė gali pabėgti nuo įvykių horizonto, bet kita nepabėgs. Ir jos susinaikina. Taigi viena iš tų dalelių gali pabėgti, išsinešti šiek tiek energijos. Vadinasi, juodoji skylė gali prarasti šiek tiek masės ir energijos“, – aiškina K. Zubovas.
Tiesa, spinduliuotė būtų tokia silpna, kad jos aptikti kol kas neįmanoma jokiais prietaisais. Tai reiškia, kad juodosios skylės galėtų net išgaruoti, bet tik per trilijonus metų. Jos būtų paskutiniai Visatos mirties liudininkai.
Gali nulemti visų galaktikų evoliuciją
Juodąsias skyles galima nagrinėti reliatyvumo teorijos arba astrofizikos mokslo aspektu. Reliatyvumo teorija analizuoja tokius reiškinius kaip įvykių horizontas, Hawkingo spinduliuotė, erdvėlaikio išsikreipimai, laiko tėkmės pokyčiai arba kirmgraužos.
„Iš astrofizikinės pusės juodoji skylė labiau svarbi tuo, kad tai yra labai mažas ir masyvus objektas, prie kurios priartėjusios dujos gali judėti taip greitai, kad greitai įkaista, ima spinduliuoti ir taip sukelia efektus, galinčius paveikti didelius astronominius mastelius“, – sako K. Zubovas.
K. Zubovo tyrimų sritis – supermasyvių juodųjų skylių, esančių galaktikų centruose, poveikis galaktikoms. Šie procesai tokie energingi, kad gali nulemti visų galaktikų evoliuciją. O jų evoliucijos supratimas padeda geriau suvokti, kaip Visata formavosi nuo didžiojo sprogimo iki šių dienų.
„Nagrinėju ir kuriu skaitmeninius modelius apie tai, kaip prie juodųjų skylių vykstantys procesai gali paveikti visą likusią galaktiką. Tokie poveikiai kažkada galėjo būti ir mūsų galaktikoje, nes mūsų galaktikos centre taip pat yra supermasyvi juodoji skylė. Tiesa, šiuo metu ji dujas ryja labai lėtai ir nedaro didelio poveikio galaktikai. Bet prieš keletą mln. metų sąlygos galaktikos centre galėjo būti visai kitokios“, – teigia astrofizikas.
Šie kompiuteriniai modeliai padeda suprasti dujų tankio evoliuciją mūsų galaktikos centre, kai dujas paveikia sparčiai į juodąją skylę krentančių dujų spinduliuotės žybsnis, trunkantis milijoną metų.
Vėliau evoliucija tęsiasi dar penkis milijonus metų, per kuriuos dujos susitelkia į žiedą ir įvairaus dydžio debesis, panašius į mūsų Galaktikos centre šiuo metu stebimus darinius. Pažvelgus į Paukščių Tako galaktiką iš šono, matyti kaip iš disko vidurio pradeda pūstis burbulas. Labai panašūs karštų retų dujų burbulai prieš keletą metų aptikti abipus mūsų galaktikos.
„Kiti mano tyrimai, susiję su kitomis galaktikomis, kuriose juodoji skylė sparčiai ryja medžiagą. Šiuose tyrimuose bendradarbiauju su Anglijos, Vokietijos, Šveicarijos, JAV universitetais“, – sako K. Zubovas.
Mūsų galaktika įdomi tuo, kad jos centras yra labai arti, todėl galima atlikti itin detalius stebėjimus. Apie tai, kas vyksta mūsų galaktikos centre žinome daugiau, negu apie kitų galaktikų juodąsias skyles.
„Kitos galaktikos įdomios tuo, kad ten vyksta energingesni procesai. Pavyzdžiui, Kentauro A galaktikoje šiuo metu stebimas aktyvus branduolys – sparčiai medžiagą ryjanti juodoji skylė ir matomi to reiškinio sukelti efektai. Matyti labai ryški spinduliuotė, medžiagos čiurkšlės, nutįsusios per visą Galaktiką nuo tos skylės, lekiantys greičiais, artimais šviesos greičiui. Tokių galaktikų stebima labai daug“, – pasakoja astrofizikas.
Tikrovė – keistesnė už išmonę
Filmo „Tarp žvaigždžių“ kūrėjai pasinaudojo proga sukurti kuo tikslesnį juodosios skylės portretą. Pasitelkus mokslininkus, jiems pavyko pasiekti daugiau, negu buvo tikėtasi. Projekto pradžioje autoriai paklausė savęs – o kodėl nepabandyti siužeto pagrįsti moksliškai? Nei kirmgraužos, nei juodosios skylės nebuvo teisingai pavaizduotos jokiame Holivudo filme. Pirmą kartą kino istorijoje išgalvota istorija prasidėjo nuo Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos lygčių.
Efektų kūrimo grupė pasinaudojo Kipo Thorne`o pateiktais matematiniais skaičiavimais ir sukūrė vaizdą, kaip galėtų atrodyti juodoji skylė. Mokslininkas parašė lygtis, kurios vaizdo efektų autoriams leido ekrane teisingai pavaizduoti gravitacinio lęšio veikimo principą. Kai šviesa atsklinda iš už juodosios skylės, ji taip išlinksta, kad kelis kartus apskrieja juodąją skylę. Taip gaunami kelis skirtingi žvaigždės vaizdai.
Juodoji skylė taip stipriai iškreipia erdvę, jog atrodo, tarsi danguje matytume didžiulį piltuvą su labai juodu apskritimu jo viduje. Juodosios skylės gravitacija traukia medžiagą iš aplinkinės erdvės. Visa tai sukasi aplink ją tarsi didžiulis diskas. Arčiau centro dujos vis labiau kaista. Akrecijos diskas spindi akinančia šviesa.
Gravitacija išlenkia šį spindintį dujų debesį. Jis įgauna keistą formą, primenantį vaivorykštinę liepsną, siaučiančią virš juodosios skylės.
Rezultatai nustebino filmo autorius – skaičiavimais, matematinėmis formulėmis pagrįsti vaizdai labai įtaigūs. Tai buvo stulbinama ir patvirtino teiginį, jog tikrovė gali būti keistesnė už išmonę.
Autoriai ketina parengti kelis mokslinius straipsnius. Vienas bus skirtas astrofizikų bendruomenei, o kitas – kompiuterinės grafikos bendruomenei. Juose bus aprašyta, ką naujo pavyko sužinoti apie gravitacinių lęšių efektą prie greitai besisukančių juodųjų skylių.
Taigi šis bendradarbiavimas dar nebaigtas. Dar kartą pasitvirtino teiginys – kur du stos, ten daugiau padarys. Ypač jeigu vienas iš jų yra mokslininkas, o kitas – talentingas režisierius.
Rolandas Maskoliūnas, LRT Televizijos laida „Mokslo ekspresas“
