SUPERMASIVNE CRNE RUPE

Darije Maričić, dipl.ing

Prije desetak milijardi godina rođeno je čudovite u srcu galaktike. Svojom masom od milijardu masa Sunca ono je kontroliralo gibanja milijuna zvijezda koje su se nalazile oko njega. Ono je zapravo plamen koji je udahnuo ivot galaktici. Danas je ono tamno i tiho. Pogledamo li, na primjer, u galaktiku NGC 3115. moći ćemo vidjeti da čudovite i tamo postoji, Ovakva tamna čudovita moemo naći u jezgrama mnogih galaktika, uključujući i nau. Ona su gotovo sigurno crne rupe s ekstremno velikom masom, a snani luminozitet dolazi od okolne materije koja u njih pada. Potvrda ove ideje je jedna od najuzbudljivijih priča moderne astrofizike.

(1) Sredinje područje nae galaksije kako ga vidi Chandra opservatorij

U tijeku Drugog svjetskog rata pojavila se radio astronomija. U kratko vrijeme nakon rata, sve vie i vie izvora radio zračenja na nebu prepoznati su kao vidljivi objekti. Većina zvijezda i galaktika su slabi izvori radio zračenja, ali postoje objekti koji su izrazito snani izvori radio zračenja. Većina njih su prepoznati u plinovitim maglicama, ostacima supernova i "radio galaktikama". Ostali izvori nisu se mogli pripisati bilo kakvom vidljivom objektu niti bliskoj vidljivoj zvijezdi. Maarten Schmidt sa sveučilita Caltech, jedan je od prvih astronoma koji je pokuao razumjeti ovakve radio izvore. On ih je opaao petmetarskim teleskopom na Mount Palomaru i ubrzo otkrio veliki broj takvih kvazi-zvjezdanih objekta ili "kvazara". Pronaao je da ovakvi objekti, ne veći od Sunčevog sustava, imaju luminozitet poput galaktika. Glavno pitanje je bilo kako objekt ovako malenog volumena moe proizvesti tako veliki luminozitet? Odgovor je traen u procesima supernova, supermasivnim zvijezdama, divovskim pulsarima i supermasivnim crnim rupama. Na kraju je prihvaćeno postojanje supermasivnih crnih rupa koje gutaju okolnu materiju galaktike.

Manje snani oblici kvazara mogu se vidjeti u nekim nama susjednim galaktikama koje se zovu Seyfertove galaktike. Radio galaktike, Seyfertove galaktike i kvazari poznati su kao galaktike s aktivnim jezgrama (active galactic nuclei - AGNs). Sve su izrazito aktivne zbog crnih rupa koje djeluju na oblinji plin i zvijezde.

Crne rupe i aktivnost galaktika

Brzina bijega s povrine nekog objekta ovisi o njegovoj masi i polumjeru. Priroda doputa da je ponekad polumjer toliko mali, a masa toliko velika da brzina bijega dostigne vrijednost brzine svjetlosti. Tada materija i zračenje ne moe pobjeći u svemir. Nadalje, nikakva atomska ili subatomska sila ne moe odrati objekt pod djelovanjem vlastite gravitacije. Cijela njegova materija uruava se u neizmjerno malu točku. Početna materija nestaje iz vida zauvijek, ali ostaje njena gravitacija.

Udaljenost od sredita do točke na kojoj je brzina bijega jednaka brzini svjetlosti naziva se Schwarzschildov polumjer ili horizont. Ovaj polumjer razmjeran je masi crne rupe. Ukoliko je masa jednaka 50 milijuna masa Sunca onda je taj polumjer jednak polumjeru Zemljine staze oko Sunca. Upravo zbog toga to svjetlost ne moe pobjeći, ovakvi se objekti i nazivaju "crne rupe".

(2) Infracrvena ISAAC snimka sredita galaksije Kentaur A u dvije valne duljine (Fell - 1256.58 nm lijevo i Paschen - beta 1281.81 nm desno)

Teorija predviđa da crne rupe od nekoliko masa Sunca nastaju u zadnjoj fazi razvoja masivnih zvijezda. Ovakve crne rupe moemo naći na različitim mjestima u naoj galaktici (astronomi ih mogu pronaći zbog jakog X-zračenja iz njihove okoline). Koristeći se znanjem o evoluciji zvijezda astronomi procjenjuju da samo diljem nae galaktike ima oko 100 milijuna pojedinačnih crnih rupa te da je najblia moda udaljena 5 parseka (16 s.g.). Crne rupe u galaktičkim jezgrama u odnosu prema crnim rupama nastalim iz masivnih zvijezda, znatno su masivnije i imaju znatno veći horizont.

Ukoliko svjetlost ne moe pobjeći iz crne rupe, kako onda objasniti veliki luminozitet aktivnih jezgri?

Zračenje dolazi od materije koja se nalazi blizu crne rupe, ali ipak izvan horizonta. Materija koja pada u crnu rupu tj. pribliava se horizontu, ubrzava sve bre i bre, sve dok brzina ne dostigne vrijednost blisku brzini svjetlosti. Energija materije je povezana s ovim gibanjem i dio energije moe se pretvoriti u elektromagnetsko zračenje.

Potraga za supermasivnim crnim rupama

Gigantska crna rupa u jezgri galaktike djelujući snanom gravitacijskom silom na okolni plin i zvijezde uzrokuje njihovo gibanje do vrlo velikih brzina. Ovaj učinak se teko moe vidjeti u kvazarima, jer je svjetlost jezgre priguena okolnom materijom. Međutim, kod radio galaktika sa sjajnijom jezgrom, plin i zvijezde se mogu bolje vidjeti.

Sredite nae galaktike nalazi se od nas na udaljenosti od 28000 svjetlosnih godina i većinu njegovog zračenja upija plin koji se nalazi na putu od sredita galaktike prema Zemlji. Zbog toga ga je najprikladnije promatrati u području elektromagnetskog zračenja koje do nas moe prodrijeti, npr. infracrveno zračenje. Rana infracrvena mjerenja ukazuju na postojanje crne rupe od 10 milijuna masa Sunca. Ona se podudara sa slabim radio izvorom koji se zove Sgr A* veličine otprilike promjera Saturnove orbite oko Sunca. Mjerenja pokazuju da brzina na udaljenosti od 0.03 s.g. od Sgr A* naraste na 400 km/s. Ove zvijezde imaju tako male orbite da obiđu galaktički centar u nekoliko desetljeća. Dakle, tijekom svog ivota moemo vidjeti kako se galaktičko sredite okrene oko sebe. Brza gibanja ukazuju da se u sreditu Sgr A* nalazi masa jednaka 3 milijuna mase Sunca. Dio mase koji se ne nalazi unutar polumjera od 1 pc (3.26 s.g.) prestaje padati prema sreditu, to znači da masa svih zvijezda koje se nalazi unutar udaljenosti od 3 s.g. od sredita postaje zanemariva usporedimo li je sa tamnom masom u sreditu.

Postoji li supermasivna crna rupa u naoj galaktici?

(3) CCD snimak galaksije NGC 428 dobiven pomoću 1.5 metarskog teleskopa na Palomarskom opservatoriju koji koristi crveni, zeleni i infracrveni filter. Super galaktičko otkriće

Plin i praina galaktike izgledaju kao ostatak spektakularnog kozmičkog spajanja velike eliptične i manje spiralne galaktike. Kentaur A je jo spektakularniji kada ga pogledamo radio teleskopom. Galaktika je jedan od najsjajnijih radio izvora na nebu, te nam je na udaljenosti od 1 1 milijuna svjetlosnih godina zapravo najblia radio galaktika. Radio emisija iz gustog sredita ukazuje na veliku aktivnost koja se povezuje s propadanjem materijala u supermasivnu crnu rupu. lnfracrvena opaanja NlCMOS kamere koja se nalazi na Hubbleovom svemirskom teleskopu i lSAAC instrumenta sa Paranal opservatorija, otkrila su akrecijsku ploču plina u sreditu galaktike. Velike brzine rotiranja plina u ploči također ukazuju na postojanje supermasivne crne rupe. Analizom rotacijskih brzina plina u ploči moe se procijeniti ukupna masa plina u sreditu ploče. Ona ukazuje na vrijednost od 200 milijuna sunčevih masa unutar sredita ploče, to se ne moe pripisati uobičajenoj zvijezdi.

Supermasivna crna rupa u galaktici M87

Divovska eliptična galaktika M87 jedan je od najsjajnijih objekata u galaktičkom jatu Djevici, za koju se dugo smatralo da sadri crnu rupu u svojoj jezgri. Opaanja Hubbleovim svemirskim teleskopom otkrivaju ploču plina promjera 500 svjetlosnih godina čija orbitalna brzina ukazuje da se u sreditu nalazi tijelo mase 3 milijarde masa Sunca, dok je omjer mase i izračene svjetlosti 100 puta veći nego kod Sunca. Nijedna populacija zvijezda nema ovako veliki omjer mase i izračene svjetlosti; to se povezuje s postojanjem supermasivne crne rupe. Mjerenja Dopplerovog pomaka sredinjeg područja galaktike M87 ukazuju na velike rotacijske brzine u blizini centra. Mjerenja su provedena biljeeći crveni i plavi pomak svjetlosti iz ploče pomoću "Faint Object" spektrografa smjetenog na Hubbleovom svemirskom teleskopu. Dio rotirajuće ploče se okreće u smjeru Zemlje dok se drugi giba suprotno od nje uzrokujući suprotan Dopplerov pomak. lzmjereno je da se plin na jednoj strani ploče udaljava od Zemlje brzinom 550 km/s (crveni pomak) dok se na drugoj strani pribliava jednakom brzinom (plavi pomak).

Supermasivna crna rupa u galaktici NGC 4258

Jo prikladniji argument za postojanje supermasivne crne rupe nalazi se u Seyfert-ovoj galaktici NGC 4258, gdje krueći plin emitira mikrovalno zračenje. Poloaj i brzinu moguće je odrediti nevjerojatnom točnoću pomoću udruenih radio teleskopa razmaknutih na velikim udaljenostima. Kutno razlučivanje ovakvih teleskopa je oko 100 puta bolje nego kod Hubbleovog svemirskog teleskopa. Mjerenja pokazuju da 40 milijuna Sunčevih masa lei unutar udaljenosti od 0.5 svjetlosnih godina od sredita galaktike.

Neki podupiru ideju da ova materija moe biti jato tamnih zvijezda. Postoje dva tipa tamnih zvijezda: neuspjele zvijezde i mrtve zvijezde. Neuspjele zvijezde imaju malu masu, toliku da se njihova unutranjost nikada nije dovoljno zagrijala da bi pokrenula termonukleame reakcije, a zovemo ih smeđim patuljcima. Smeđi patuljci imaju mase manje od 0.08 mase Sunca, a da bi objasnili tamnu materiju unutar NGC 4258 potreban ih je jako veliki broj. U tom slučaju nalazili bi se jako blizu jedan drugom, od kojih bi neki međudjelovali. Zvijezde koje međudjeluju u principu ostaju zajedno, ali ukoliko se dva smeđa patuljka spoje od njih nastaje svijetleća zvijezda i nakon toga bi tamno jato zasvijetlilo.

Druga alternativa su umrle zvijezde, npr. bijeli patuljci, neutronske zvijezde ili crne rupe nastale od masivnih zvijezda. Mrtve zvijezde su znatno masivnije nego smeđi patuljci. Kalkulacije pokazuju da bi jato mrtvih zvijezda u potpunosti isparilo kroz 100 milijuna godina, to je na kozmolokoj skali jako mali period - puno manji od starosti cijele galaktike. Stoga su supermasivne crne rupe najbolje prihvaćena astrofizička alternativa.

U gustom sreditu daleke galaktike NGC 6240 astronomi su pronali dvije supermasivne crne rupe i samo je pitanje vremena kada će doći do njihovog
sraza.

Po prvi puta znanstvenici su pronali dokaz za postojanje dvije supermasivne crne rupe zajedno u istoj galaktici. Ove dvije crne rupe rotiraju jedna oko druge i spojit će se za nekoliko stotina milijuna godina. Događaj će osloboditi intenzivno zračenje, gravitacijske valove i ostavit će iza sebe jo masivniju crnu rupu. NASA-in satelit za opaanje X-zračenja Chandra pronaao je crne rupe u galaktici NGC 6240. Opaene su jer su crne rupe okruene vrućom rotirajućom vrtlonom materijom, koja se naziva akrecijska ploča. Ovakve ploče su jaki izvori X-zračenja, a satelit Chandra je sposoban jasno razlučiti dvije jezgre, te mjeriti karakteristike njihovog X-zračenja.

Galaktika NGC 6240, koja se nalazi na udaljenosti od otprilike 400 milijuna svjetlosnih godina, tipičan je primjer galaktika s rađaonicom zvijezda - masivnih galaktika u kojima se zvijezde formiraju izuzetno brzo. Zbog velike količine plina i praine u ovakvim galaktikama vrlo je teko proučavati dublja sredinja područja. Optička, radio i infracrvena opaanja su i prije razotkrila dvije svijetle jezgre, ali je njihova priroda ostala nejasna. Međutim, X-zračenje moe prodrijeti kroz debeli sloj plina i praine.

"Pomoću Chandra teleskopa, moguće je odrediti koja je od jezgri, ili da li su obje aktivne supermasivne crne rupe. Jako smo bili iznenađeni kada smo vidjeli da su obje aktivne crne rupe" kae Stefanie Komossa s Max Planck instituta, koja je i glavni autor članka o NGC 6240.

Pronalazak dvojnih crnih rupa podupire ideju da crne rupe mogu narasti do enormne mase u sreditu galaktika spajajući se s drugim crnim rupama, a također predstavlja i vanu informaciju za razumijevanje nastanka i razvoja galaktika.

Kroz narednih nekoliko stotina milijuna godina, dvije crne rupe u galaktici NGC 6240, koje su trenutno razmaknute oko 3000 svjetlosnih godina, pribliavati će se i na kraju spojiti stvarajući jo veću supermasivnu crnu rupu. Pred kraj ovog procesa dogodit će se veliki prasak gravitacijskih valova.

(4) Umjetnički prikaz dvije crne rupe prije spajanja, okruene uarenim akrecijskin pločama

NASA planira u svemir poslati detektor LlSA (Laser lnterferometer Space Antenna) koji će traiti gravitacijske valove koje emitiraju supermasivne crne rupe. Procijenjeno je da se ovakvi događaji u svemiru javljaju nekoliko puta godinje.

Znanstvenici prvi put mogu vidjeti dvojnu crnu rupu u akciji, kao napeti pitolj koji će u budućnosti postati prasak gravitacijskih valova.

Supermasivne crne rupe i razvoj galaktika

Dva novija rezultata daju osnovne relacije između mase crnih rupa i osobina njihovih galaktika. Galaktike nalazimo u dva osnovna tipa; spljotene rotirajuće galaktike (kao frizbi ili okrugla ploča) i galaktike sa sferičnim zadebljanjem koje slabo rotiraju uglavnom zbog nasumičnog gibanja zvijezda. Mnoge galaktike, kao to je naa Mliječna staza, Andromedina galaktika i druge, sadre zadebljanje u sreditima ploča. Galaktike koje sadre samo zadebljanje bez ploče, nazivamo i eliptičnim galaktikama. Supermasivne crne rupe pronađene su u eliptičnim galaktikama i u galaktikama koje sadre obje komponente (ploču i zadebljanje), ali nisu u galaktikama koje sadre samo ploču. Astronom Kormendy, pronaao je 1993. godine da je masa crnih rupa priblino proporcionalna luminozitetu zadebljanja vlastite galaktike, to je danas i potvrđeno pronalaskom novih supermasivnih crnih rupa.

Masivnije crne rupe obitavaju u galaktikama čije se zvijezde bre gibaju. Naravno zvijezde blie centru imaju veće brzine i one upućuju na postojanje crne rupe. Većina ostalih zvijezda u galaktici ne osjeća gravitacijsku silu crne rupe pa nam nisu od značenja u njihovom otkrivanju, ali općenito se i one gibaju puno bre od zvijezda u galaktikama s manje masivnijim crnim rupama.

(5) Snano X-zračenje dviju supermasivnih crnih rupa označeno je plavom svjetloću

Astronomi sa sveučilita Texas u Austinu pronali su jo jednu ovisnost koja ukazuje da je masa crnih rupa gotovo uvijek oko 0.2% mase zadebljanja. Ova povezanost do danas nije razjanjena, ali upućuje da, kako se galaktika formira, neki određeni dio mase uvijek zavrava u crnoj rupi. Ovisnost sadri vanu informaciju o nastajanju i razvoju galaktika.

Vjeruje se da u svakoj galaktici koja sadri zadebljanje postoji supermasivna crna rupa. Ustanovljene relacije ukazuju nam da je masa crne rupe neposredno povezana s nastajanjem zadebljanja. Alternativne teorije idu u dva smjera.

Crne rupe prvo dolaze u "standardnoj" veličini, odnosno 0.2 % početne mase galaktike. Zatim, spajanjem manjih galaktika nastaju velike galaktike, u kojima također crne rupe imaju 0.2% mase. Kada se spoje dvije manje galaktike spoje se i njihove crne rupe.

Crne rupe se stvaraju kao mali objekti bilo gdje u galaktici i zatim rastu tijekom razvoja galaktike.

Dakle, u prvoj teoriji, cme rupe nastaju prve i reguliraju razvoj galaktike, dok u se drugoj cma rupa i galaktika razvijaju usporedno.

Dva argumenta koja idu u prilog druge teorije.

Opaanja pokazuju da postoje dva tipa zadebljanja koja sadre cme rupe, od kojih se jedan naziva pseudozadebljanje. Za ovaj tip se vjeruje da nastaje u manje zadebljanim galaktikama. Kod njih je opaeno da ploča ne sadri supermasivne cme rupe u istom omjeru (0.2% mase) kao i zadebljanje, pa crna rupa moe rasti tijekom procesa koji stvara i pseudozadebljanje.

Drugi argument dolazi iz usporedbe ovisnosti dviju masa crnih rupa sa svojstvima njihove galaktike. Jedna ovisnost govori da veća zadebljanja sadre i veće cme rupe, uz iznimku nekih izuzetaka (otkriveno je par galaktika koje sadre ekstremno velike cme rupe). Kada je cma rupa neuobičajeno masivna - galaktika se neuobičajeno saima. U tom slučaju je masa crne rupe vjerojatno odredena saimajućim procesom. Alternativa da veće cme rupe uzrokuju veće galaktičko saimanje manje je vjerojatna jer bi veće cme rupe proizvele svjetliju aktivnu jezgru, a njihovo zračenje bi gurnulo galaktički plin i uzrokovalo manje saimanje.

Na osnovu ovih argumenata moemo zaključiti da su glavni događaj koji stvara zadebljanje i vrijeme rasta cme rupe istovjetni. Razvoj galaktika neposredno rezultira u hranjenju cme rupe koja daje sjaj aktivne jezgre galaktike.

Do sada su znanstvenici pronali nekoliko desetaka primjera postojanja supermasivnih cmih rupa u galaktikama. One su izvor vrijednih informacija o utjecaju supermasivnih crnih rupa na razvoj galaktika. Otkrivarijem novih supermasivnih cmih rupa astronomi se nadaju da će dobiti vie informacija koje bi mogle razotkriti tajnu tihih čudovita u srcima galaktika.

Preuzeto iz časopisa ČOVJEK I SVEMIR koji izdaje Zvjezdarnica Zagreb - Zagrebački astronomski savez.

29.11.2003. pripremio info_csa

komentari (1)

Content Management Powered by CuteNews

SUPERMASIVNE CRNE RUPE

croatian space agency, croatia, astronomy, croatia, telescope, telescope lanses, rocket, camera, space, agency