Tamsiau už tamsiąją materiją: ar Visata sudaryta iš juodųjų skylių?

Astrofizikos pasaulyje suformuluota nauja kontraversiška teorija. Jos autorius, Edinburgo Karališkosios observatorijos (Škotija) astronomas Maikas Hokinsas (Mike Hawkins) įsitikinęs, jog trūkstama Visatos masė gali glūdėti mažytėse juodosiose bedugnėse, kurių Visatos platybėse klaidžioja ištisos ordos.

Taip jau yra, jog didžioji dalis Visatos medžiagos arba neskleidžia jokios šviesos, arba skleidžia tokią silpną šviesą, jog šios aptikti beveik neįmanoma. Daugelis yra linkę manyti, jog vadinamąją tamsiąją materiją sudaro ligi šiol neaptiktos subatominės dalelės. Fizikai ir ne tik jie jau senokai nekantrauja, kada gi pagaliau Didžiajame hadronų greitintuve (Ženeva, Šveicarija) bus aptikta rimtų ieškomiausios pasaulyje subatominės dalelės (Higso bozono) pėdsakų.

O ką, jei dėl tamsiosios materijos apsirinkama? Taip mano Edinburgo Karališkosios observatorijos (Škotija) astronomas Maikas Hokinsas (Mike Hawkins). Jis tiki, jog tai, kas vadinama tamsiąja materija (arba tamsiąja medžiaga), iš tikro yra ne mistinės neatrastos dalelės, o nesuskaičiuojami tuntai po Visatos erdves klajojančių nedidelių juodųjų bedugnių, susiformavusių netrukus po Didžiojo sprogimo.

„Mes gyvename Visatoje, kurioje dominuoja juodosios bedugnės,“ – įsitikinęs M. Hokinsas.

Drąsus ir gal net kiek bravūriškas pareiškimas? Tačiau jo autorius įsitikinęs, jog per daugelį astronominių stebėjimų metų jis sugebėjo sukaupti reikiamų argumentų tokios teorijos pagrindimui. Jei mokslininkas teisus, mokslo pasaulis į Visatą turės pažvelgti visai kitu kampu. Ir, žinoma, tokiu atveju atsivertų visai kitoks Visatos vaizdas.

Pradžia: kažkas ne taip su kvazarais

Viskas prasidėjo tolimais 1975-aisiais, kai M. Hokinsas „UK Schmidt Telescopel“ teleskopu Saidingspringse (Australija) uoliai, kone kiekvieną naktį pradėjo stebėti tam tikrą pietų pusrutulio naktinio dangaus plotelį. Praėjus penkeriems metams, neskaitant žvaigždžių, kurių jis dairėsi, astronomui pavyko aptikti šį tą netikėto: tūkstančius objektų, kurių sušvitimo ir išblėsimo pokyčiai trukdavo nepaprastai lėtai. Paaiškėjo, jog tai – kvazarai: Visatos pakraščiuose karaliaujantys supergalingi ir superryškūs galaktikų branduoliai.



Visatos pakraščiuose karaliaujantys supergalingi ir superryškūs galaktikų branduoliai – kvazarai ©nightskynation.com iliustr.

Tačiau M. Hokinsą atradimas gerokai suglumino. Kvazarų spinduliuotę generuoja pašėlusiu greičiu į galaktikos centre tūnančią, milijonus sykių daugiau masės už mūsiškę Saulę turinčią supermasyvią juodąją bedugnę spiraline trajektorija krintanti medžiaga.

Paprastai kvazarų švytėjimas kinta, o kitimas pasireiškia žybsniais: pavyzdžiui tada, kai kolosali supermasyvios juodosios skylės gravitacija suplėšo ištisas žvaigždes. Tačiau tokie žybsniai kvazaruose atsiranda ir pranyksta vos per keletą dienų – jie trunka toli gražu ne kelerius metus ar kelis dešimtmečius, kaip kad pastebėjo M. Hokinsas.

Astronomas pamėgino išsiaiškinti, ar čia nebus nagų prikišęs vadinamasis gravitacinio mikrolęšio reiškinys (angl. – „microlensing“). Jo esmė tokia: jei tarp stebimo kvazaro ir stebėtojo praslenka masyvus kūnas, šio gravitacija išlenks kvazaro skleidžiamus šviesos spindulius ir juos išdidins (žiūrėkite žemiau pateiktą video iliustraciją).



Galbūt ilgalaikius kvazarų švytėjimo pokyčius sukeldavo būtent tokie masyvių kūnų šmėkščiojimai, o ne kažkokie vyksmai kvazaro viduje? Ar tokia hipotezė pakankamai teisingai paaiškina dešimtmečius trunkančius kvazarų švytėjimo pokyčius, kuriuos pastebėjo M. Hokinsas?

Ir kas gi tie ramybės drumstėjai?

Jo skaičiavimų rezultatai parodė, kad taip galėjo nutikti tuo atveju, jei tarp stebimo kvazaro ir stebėtojo prasliūkindavo maždaug Saulės masės dangaus kūnas. Ir kas gi galėtų būti tie masyvūs, gravitacinio mikrolęšio reiškinį sukeliantys kūnai?

Pirmas į galvą šaunantis atsakymas būtų žvaigždės. Vis tik šis „nominantas“ atmetamas dėl priežasties, kuri siejama su pirmosiomis minutėmis po Didžiojo sprogimo. Visata dabar yra tokia, kokią mes ją žinome, nes nuo pat pirmųjų egzistencijos minučių ją sudaro tam tikras pastovus fotonų ir protonų bei fotonų ir neutronų santykis (protonai ir neutronai priskiriami barionams).

Koks yra minėtų dalelių santykis, nustatyti galima iš kosminės elektromagnetinės foninės spinduliuotės, kuris dar vadinamas reliktiniu spinduliavimu. Tai – Didžiojo sprogimo liekanos. Paaiškėja, jog iš viso Visatoje gali būti daugių daugiausiai tik dvigubai daugiau barionų nei mes jų matome susispietusių į žvaigždes ir galaktikas. Ir tai yra rimta pretenzija gravitacinio mikrolęšio reiškinio hipotezei, pagal kurią kvazaro šviesą iškraipo būtent gravitacinio mikrolęšio fenomenas. Mat tam, kad šį fenomeną būtų galima stebėti kiekvieno kvazaro atveju, šviesą išlenkiančius kūnus reikėtų „pasunkinti“ kur kas labiau, nei leidžia dvigubas regimosios Visatos barionų kiekis.



Reliktinio spinduliavimo diagrama ©wissenschaft.de iliustr.

„Kad gravitaciniais mikrolęšiais būtų galima laikyti eilines žvaigždes, Visatoje yra per mažai barionų“, - aiškina M. Hokinsas. – Tų lęšių efektą turėtų generuoti tamsioji materija.“

„Barioniniai“ argumentai iš pretendentų į gravitacinio mikrolęšio efekto „sukėlėjus“ atmeta nemažą dalį kandidatų, kurie vis pakliūva į stambią kosminių objektų šeimą, vadinamą MACHO – „massive astrophysical compact halo objects“ („masyvūs kompaktiški švytintys astrofiziniai kūnai“). Tai yra kategorija, vienijanti visus tamsius kūnus, kuriuose gali būti tamsiosios medžiagos – neutronines žvaigždes, juodąsias bedugnes ir žvaigždes-nykštukes, kurios yra tokios mažos, jog išspinduliuoja labai nedaug šviesos arba jos išvis neišspinduliuoja.

Bet jei visa, kas yra sudaryta iš įprastinės medžiagos, netinka, M. Hokinsui lieka vienintelis pretendentas fenomenui paaiškinti – mažosios juodosios bedugnės, kurių masė maždaug prilygsta nedidelės žvaigždės (pvz., mūsiškės Saulės) masei. Dydžiu mažosios juodosios bedugnės prilygtų nedideliam provincijos kaimeliui. Tokius Visatos objektus pripažįsta ir garsusis Kembridžo universiteto fizikas Stivenas Hokingas (Stephen Hawking), kuris su kolegomis yra pareiškęs, jog mažosios juodosios bedugnės galėjo spontaniškai susiformuoti tuomet, kai Visatos amžius siekė vieną šimtatūkstantąją sekundės dalį.

Pirmapradės juodosios bedugnės

Kvarkai, iš kurių sudaryta visa regimoji Visatos medžiaga, kadaise klaidžiojo laisvi, tačiau, nelyginant smulkučiai lašeliai, pradėjo telktis ir formuoti savotišką rūką. Tie „lašeliai“ buvo protonai, neutronai ir dar visa aibė kitų subatominių dalelių, kurių galima aptikti tik tuomet, kai tarpusavyje susiduria aukšta energija pasižyminčios dalelės.

Šis procesas vyko izoliuotuose supertankiuose dalelių telkinių regionuose, kuriuos jų gravitacija sutraukė į pirmykštes juodąsias skyles. „Tokių juodųjų skylių masė turėtų maždaug prilygti pavienių žvaigždžių masei, - mano M. Hokinsas. – Kaip tik tiek ir užtektų, kad būtų galima paaiškinti kvazarų spinduliuotę veikiantį gravitacinio mikrolęšio efektą.“



Edinburgo Karališkosios observatorijos (Škotija) astronomas Maikas Hokinsas (Mike Hawkins) ©roe.ac.uk nuotr.

M. Hokinsas ilgai plūkėsi įtikinėdamas kolegas astronomus. Nors niekas kol kas nė neturi menkiausio supratimo, iš ko yra sudaryta tamsioji medžiaga, nemaža dalis mokslininkų šiuo klausimu simpatizuoja dalelėms, vadinamoms neutralinais (angl. – „neutralinos“), kurie gerokai skiriasi nuo medžiagą sudarančių įprastinių barionų.

Tokias simpatijas galima paaiškinti tuo, jog perspektyviausiomis laikomose dalelių fizikos teorijose numanoma, esą neutralinai ir yra tamsioji medžiaga. Kita priežastis – kad ir kaip intensyviai vykdomos, juodųjų bedugnių paieškos iki šiol yra bevaisės (juodosios bedugnės iš principo tebėra hipotetinis fenomenas.

Ar atlaikys teorijos pastoliai?

Tarptautinė mokslininkų grupė „Macho Collaboration“ septynerius metus kaimyninėse Paukščių Tako galaktikose – Didžiajame ir Mažajame Magelano Debesyse – stebėjo maždaug 3 mln. žvaigždžių, siekdama užfiksuoti bent menkiausius MACHO objektų požymius. Logika paprasta. Manoma, kad tamsioji medžiaga mūsų galaktikoje turėtų būti neaprėpiamo dydžio sferiško halo pavidalo. Jei tokį halą sudaro MACHO objektai, tada kuris nors iš tokių objektų atsitiktinai turėtų praslinkti tarp stebimos žvaigždės ir stebėtojo bei, suprantama, sukelti gravitacinio mikrolęšio efektą.



Tarptautinė mokslininkų grupė „Macho Collaboration“ ©macho.anu.edu.au nuotr.

Tyrimo rezultatai juodųjų skylių atžvilgiu nebuvo palankūs. Tyrėjai užfiksavo tik 17 gravitacinio mikrolęšio efekto atvejų ir priėjo išvadą, jog MACHO objektai, kad ir kas jie bebūtų, tamsiosios medžiagos hale sudaro mažiau nei 20 proc. Paskutiniųjų tyrimų duomenimis, tas procentas yra dar mažesnis.

Tačiau atkakliojo M. Hokinso tokie rezultatai neatvėsino – mokslininkas tiki, jog tyrimo rezultatai buvo neteisingai interpretuoti, o gravitacinio mikrolęšio efekto atvejus sąlygoja halas, kurį sudaro vien tik MACHO objektai.

Ne metas pasiduoti

Astronomas nurodo keletą pirmapradžių juodųjų skylių naudai liudijančių požymių. Pirmiausia niekas neprieštarauja, jog kvazarų šviesos pokyčiai trunka po kelerius metus. Jei kvazarų šviesos iškraipymą sąlygotų kvazaro viduje vykstantys reiškiniai, tokie patys ilgalaikiai šviesos pokyčiai turėtų būti stebimi kiekviename kvazare. Tačiau kitų kvazarų stebėjimai rodo, jog taip nėra. „Vadinasi, tai gali būti paaiškinama tik gravitacinio mikrolęšio efektu,“ – samprotauja M. Hokinsas.

Kitas argumentas siejamas taipogi su kvazaro šviesos pokyčio trukme. Jei tas pokytis vyktų dėl kvazaro viduje vykstančių reiškinių, tolimesniųjų kvazarų pokytis turėtų tęstis ilgiau nei arčiau Saulės esančių kvazarų. Tačiau, anot M. Hokinso, tokio skirtumo tarp tolimesnių ir artimesnių kvazarų šviesos pokyčių niekada nebuvo užfiksuota. „Vadinasi, tai vėl neprieštarauja gravitacinio mikrolęšio efekto hipotezei“, - reziumuoja astronomas.

Neblėstantį M. Hokinso entuziazmą yra linkęs palaikyti Londono Karalienės Marijos universiteto (Queen Mary, University of London) ekspertas Bernardas Karas (Bernard Carr): „Manau, jog jo rezultatus derėtų priimti labai rimtai.“

Kas toliau?

Kad ir kokie būtų M. Hokinso argumentai, jis bent jau atkreipia dėmesį į problemą. Kvazarai yra labai komplikuoti ir sudėtingi kosmoso siaubūnai, o mokslo žinių apie juos stoka palieka plačiai pravertas duris įvairiausio plauko alternatyvioms teorijoms. Pavyzdžiui, kai kurie mokslininkai yra linkę manyti, jog keistasis kvazarų šviesos kintamumas gali būti sąlygojamas greičio, kuriuo medžiaga srūva į juodąją bedugnę.

Žinoma, jei laboratorijų greitintuvuose pavyktų aptikti tamsiosios medžiagos dalelių, pirmapradžių juodųjų bedugnių teorijai tai būtų galas. „Jei bus įrodyta, kad tamsiąją medžiagą iš tiesų sudaro tam tikros dalelės, tai reikš, jog aš klydau“, - nesibaimina M. Hokinsas. Tačiau tokių įrodymų kol kas nėra.



Jei laboratorijų greitintuvuose pavyktų aptikti tamsiosios medžiagos dalelių, pirmapradžių juodųjų bedugnių teorijai tai būtų galas. Tačiau tokių įrodymų kol kas nėra ©emaramures.ro nuotr.

Kad M. Hokinso hipotezė būtų įrodyta arba paneigta, reikia galingų stebėjimų. Tačiau juos atlikti nėra paprasta. Jei halą sudaro vien pirmapradės juodosios bedugnės, vadinasi, ten jų turėtų būti trilijonai – žymiai daugiau, negu yra žvaigždžių galaktikose.

Kiekvieną tokią nedidelę pirmapradę juodąją skylę nuo kaimyninių gentainių turėtų skirti mažiausiai 40 šviesmečių, o toks atstumas yra dešimt kartų didesnis už nuotolį nuo Saulės iki artimiausios jai žvaigždės Kentauro Alfos. Pridėjus dar ir tai, jog pirmapradžių juodųjų bedugnių skersmuo neturėtų viršyti 3 km, išeitų, jog aptikti juodųjų bedugnių halą yra nepalyginamai sunkiau negu šieno kupetoje įžiūrėti pasimetusią adatą. Kaip pamatyti tą ir taip nematomų juodųjų bedugnių „šydą“, kurio elementus skiria dešimtys šviesmečių???

Nebent netiesioginiu būdu. Galbūt atliekant dar vieną gravitacinio mikrolęšio efekto tyrimą. „Visa „Macho Colaboration“ tragedija slypi tame, jog jis buvo nutrauktas pernelyg anksti, - įsitikinęs M. Hokinsas. – Tą tyrimą būtinai reikėtų atnaujinti.“

Jei astronomas teisus, o Visatos tamsiąją medžiagą iš tiesų sudaro žvaigždės masės juodosios skylės, jos nebūtinai galėjo susidaryti ankstyvaisiais Visatos formavimosi etapais. Mokslininkai B. Karas ir Alanas Kolis (Alan Coley) modeliavimo metodu tikrina didžiųjų sprogimų serijos teoriją. Jų tyrimų rezultatai rodo, jog juodosios skylės tokiu atveju galėjo susidaryti prieš didžiuosius sprogimus, juos išgyventi ir tebegyvuoti šiandien.

„Iš ankstesnių Visatos ciklų likusios makroskopinės juodosios bedugnės būtų nesulyginamos su juodosiomis skylėmis, kurios susiformavo šiame Visatos cikle, - tvirtina B. Karas. – Tačiau visai įmanoma, kad gravitacinio mikrolęšio efektą galėtų sukelti būtent jos.“

Mokslo pasaulyje jau seniai numanoma, jog tamsioji medžiaga yra nepanaši į nieką kitą šiame pasaulyje. Tačiau ar tai labai stebins, jei paaiškės, jog didžioji jos dalis susiformavo galbūt net ne mūsų Visatoje?