— Published on 10/12/2017 / Bug.hr.
Nitko ne zna kako je supermasivna crna rupa, 800 milijuna puta masivnija od Sunca, u novootkrivenom kvazaru mogla nastati u ranom “djetinjstvu” svemira, samo 690 milijuna godina nakon velikog praska.
Vodeći znanstveni časopis Nature ovaj je tjedan objavio članak o otkriću najudaljenijeg dosad poznatog objekta u svemiru, kvazara ULAS J134208.10+092838.61. Astronomi su utvrdili da crveni pomak tog kvazara iznosi čak 7,54 što znači da se, zbog širenja svemira, od nas udaljava s 97% brzine svjetlosti. Iznos tog crvenog pomaka također pokazuje da je svjetlost sa spomenutog kvazara, koju danas opažamo na Zemlji, emitirana prije više od 13 milijardi godina. Preciznije, emitirana je samo 690 milijuna godina nakon velikog praska. Sam za sebe, taj bi podatak bio puka zanimljivost za knjigu rekorda. No, u kombinaciji s drugim podacima o tom kozmičkom objektu, otvara put prema novim, važnim spoznajama. Konkretno, spomenuti kvazar u svojem središtu ima aktivnu supermasivnu crnu rupu, 800 milijuna puta masivniju od Sunca. Ideje koje zasad imamo o mogućim mehanizmima nastanka supermasivnih crnih rupa, nisu dovoljne da bismo razumjeli kako je taj kvazar nastao. To je kao da ste utvrdili da je neka osoba narasla do visine dva metra i mase 100 kg, ali samo četiri godine nakon njezinog rođenja. Što bismo mogli reći kad bismo tako nešto opazili? Ili da stvorenje uopće nije čovjek ili da o razvoju čovjeka nešto bitno ne znamo. No, znanstvenike takve bizarnosti ne bacaju u očaj. Naprotiv, one su im izvor radosti, zato što su pouzdani putokazi prema novim spoznajama.
Crne rupe - rezime
Malo tko nije čuo za crne rupe. I malo tko o njima nema poneku krivu predodžbu. Predlažem da svoje osnovno znanje o crnim rupama provjerite kratkim online kvizom. Onima koji su na tom kvizu osvojili sedam ili više bodova, a svejedno smatraju da o crnim rupama premalo znaju, preporučujem dvije izvrsne knjige na tu temu. Prva je Gravity's Fatal Attraction: Black Holes in the Universe od Begelmana i Reesa (Scientific American Library, 1998), a druga Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy od novopečenog nobelovca Kipa Thornea (W. W. Norton & Company, 1994). Better World Books će vam, uz besplatnu dostavu, prvu naplatiti svega 60 kn, a drugu, s više 600 stranica, oko 160 kn.
Za one koji su na kvizu osvojili manje od četiri boda, slijedi kratki rezime. Crne rupe jesu bizarni objekti, ali su stvarne. Nisu spekulacija, nisu SF. Prave su. Bile su predviđene Einsteinovom općom teorijom relativnosti, prije više od 100 godina. U međuvremenu su razna astronomska opažanja donijela brojne potvrde njihova postojanja. Jezikom opće teorije relativnosti, crna rupa je ekstremno izobličenje prostorvremena, dio prostorvremena koji je toliko zakrivljen da je doslovno odsječen od ostatka svemira. Doduše, samo jednosmjerno. U crnu rupu možete ući, ali iz nje ne možete izaći. Ploha koja dijeli unutrašnji dio crne rupe od vanjskog dijela svemira nazivamo horizontom događaja. Ta ploha je obično sferna, a njezin polumjer nosi naziv Schwarzschildov polumjer. Kod većine crnih rupa gradijent gravitacijske sile je tako velik da objekt biva rastrgan prije nego se približi horizontu događaja. Kod jako velikih crnih rupa gradijent gravitacijske sile može biti dovoljno mali da objekt nesmetano prođe kroz horizont događaja. No, unutrašnjost crne rupe ne dopušta stabilne orbite pa objekt prije ili kasnije završi u samom središtu koje, uz današnje poznavanje fizike, nazivamo singularnošću. To je točka u kojoj gustoća teži u beskonačnost.
Crna rupa može imati bilo koju masu. Teorija predviđa nastanak crnih rupa relativno malih masa (u usporedbi s masom Sunca) u ranoj fazi razvoja svemira. Takve crne rupe nazivamo primordijalnima. Za njima se traga, no zasad nisu nađene. Crne rupe zvjezdanih masa nastaju u završnim fazama života nekih zvijezda. Kad Sunce potroši svoje nuklearno gorivo, i prođe kroz fazu crvenog diva, završit će konačno kao bijeli patuljak. Masivnije zvijezde, međutim, neće završiti kao bijeli patuljci. Indijac Chandrasekhar pokazao je, još 1930. godine, da zvijezda masivnija od 1,4 mase Sunca (što nazivamo Chandrasekharovom granicom) ne može opstati kao bijeli patuljak te da se mora urušiti u još kompaktniji objekt – neutronsku zvijezdu ili crnu rupu. Granica za crnu rupu je oko tri mase Sunca.
Naše Sunce, dakle, neće prirodnim razvojem događaja završiti kao crna rupa. Načelno bi moglo postati crnom rupom, što vrijedi za svaki objekt u svemiru, kad bismo ga vanjskim silama zgusnuli u dovoljno mali obujam, u sferu Schwarzschildovog polumjera. Taj polumjer ovisi samo o masi objekta i za Sunce iznosi oko 3 km, a za Zemlju oko 1 cm. No, kad bi Sunce iznenada i postalo crnom rupom, Zemlja bi se bezbrižno nastavila gibati po svojoj orbiti. Ne bi bila “pojedena”. Da bi nas se crna rupa dočepala morali bismo joj doći puno bliže.
Supermasivne crne rupe i kvazari
Za manje crne rupe imamo ideju kako su mogle nastati. Primordijalne crne rupe, koje još nisu opažene, potjecale bi iz fluktuacija u gustoći materije u ranoj fazi nastanka svemira. Crne rupe zvjezdanih masa, sve do sto masa Sunca, nastaju kolapsom velikih zvijezda pa onda eventualno stapanjem crnih rupa dvojnih ili višestrukih zvjezdanih sustava. Takve crne rupe su neizravno opažene mnogo puta.
S velikim crnim rupama je već teže. Postoje naznake da bi u svemiru moralo biti i crnih rupa srednjih masa, od sto do milijun masa Sunca. Zasad nema pouzdanog opažanja takvih objekata, ni jednoznačno utvrđenog scenarija njihovog nastanka. Konačno, supermasivne crne rupe – masa od milijun do desetak milijardi masa Sunca – evidentno postoje u središtima gotovo svih galaksija. Naša galaksija, Mliječni put, u svojem središtu također ima supermasivnu crnu rupu. Gledano sa Zemlje, središte galaksije nalazi se u zviježđu Sagittarius (ili Strijelac), a sama supermasivna crna rupa – mase četiri milijuna masa Sunca – poznata je kao Sagittarius A*.
Supermasivna crna rupa u središtu najudaljenijeg kvazara, ULAS J134208.10+092838.61, nije samo 200 puta masivnija. Ona je i aktivna, što znači da u njezinoj okolini postoji još dovoljno materije koja pada prema središtu (taj proces nakupljanja materije nazivamo akrecijom) te formira akrecijski disk i dva ogromna, nasuprotna mlaza čestica i zračenja. Upravo zahvaljujući mlazovima možemo detektirati kvazare, koji se nalaze na samome rubu opazivog svemira. Tajna je u geometriji. Kvazari ne emitiraju izotropno (jednako u svim smjerovima) poput zvijezda, nego usko usmjereno poput svjetionika.
Konačno, nastanak supermasivnih crnih rupa otvoreno je pitanje. Poznato je da se i galaksije mogu stapati, što se ponekad naziva galaktičkim kanibalizmom, pri čemu se njihova središta u konačnici stope u zajedničku crnu rupu. Tako središnja crna rupa raste. Ali od nečega je morala krenuti. Puno je manje jasan mehanizam nastanka zametka supermasivne crne rupe, koji je morao nastajati zajedno s formiranjem same galaksije. I upravo bi najudaljeniji kvazari, poput ovoga koji je nedavno otkriven, trebali pomoći u rasvjetljavanju toga dijela priče. Kako je u relativno kratkom vremenu, u kozmološkom smislu, mogla biti formirana supermasivna crna rupa. Kojim mehanizmom? To je pitanje na koje astrofizičari traže odgovor.