Mokslininkai sunerimo: Paukščių tako centre gali slypėti kažkas pavojingesnio nei juodoji skylė

Iki šiol visi galaktikos centro matavimai sutampa su modeliu, kuriame egzistuoja ypač tankus objektas, maždaug 4 milijonus kartų masyvesnis už Saulę. Tačiau, kaip rodo naujasis darbas, kruopščiau pažvelgus paaiškėja, kad tie patys duomenys taip pat gali būti suderinami su milžinišku, itin kompaktišku fermioninės tamsiosios materijos telkiniu be įvykių horizonto.

Šiuo metu astronomai dar neturi pakankamai tikslių stebėjimų, kad galėtų aiškiai atskirti šiuos du modelius. Vis dėlto, jei galaktikos branduolį sudarytų tamsioji materija, tai suteiktų visiškai naują priemonę aiškinantis visos paukščių tako tamsiosios materijos pasiskirstymą.

„Mes ne tiesiog pakeičiame juodąją bedugnę tamsiu objektu; mes siūlome, kad supermasyvus centrinis objektas ir galaktikos tamsiosios materijos halo yra dvi to paties, ištisinio darinio išraiškos“, – aiškina astrofizikas Carlosas Argüellesas iš La Platos Astrofizikos instituto Argentinoje.

Tamsioji materija yra viena didžiausių Visatos mįslių. Mokslininkai gali labai tiksliai apskaičiuoti įprastos (barioninės) medžiagos kiekį Visatoje, tačiau, sudėjus visą žinomą materiją, gravitacijos vis tiek būna gerokai per daug. Tai reiškia, kad egzistuoja dar kažkas, kas sukuria didžiulę papildomą gravitaciją.

Šis nežinomas komponentas nei sugeria, nei skleidžia šviesos – apie jo egzistavimą sprendžiame tik iš gravitacinio poveikio. Tai ir vadiname tamsiąja materija. Skaičiuojama, kad ji sudaro maždaug 84 procentus visos Visatos materijos.

Paukščių tako centre esančio masyvaus objekto buvimas ir masė buvo patvirtinti taip pat gravitacijos dėka – sekant ilgus, sudėtingus dideliu greičiu judančių žvaigždžių orbitų vingius ir jų greičio pokyčius, joms skriejant aplink galaktikos centrą.

Šiuo metu paprasčiausias ir mažiausiai prielaidų reikalaujantis paaiškinimas yra tas, kad galaktikos šerdyje glūdi supermasyvi juodoji bedugnė, pavadinta Sagitario A* (Sgr A*). 2022 m. Event Horizon teleskopo tyrėjų grupė paskelbė vaizdą, kuriame užfiksuotas vadinamasis juodosios bedugnės „šešėlis“.

Tačiau tai nėra vienintelė įmanoma interpretacija. Ankstesni teoriniai darbai parodė, kad įkaitusi, ryškiai švytinti akrecinė dujų ir dulkių aureolė aplink kompaktišką tamsiosios materijos telkinį taip pat galėtų sukurti šešėlį, labai panašų į tą, kurį matome Event Horizon teleskopo nuotraukose.

Tarptautinė mokslininkų komanda, vadovaujama astrofizikės Valentinos Crespi iš La Platos Astrofizikos instituto, nusprendė žengti dar toliau ir išsiaiškinti, ar stebimos žvaigždžių orbitos aplink Sgr A* gali būti paaiškintos ir tamsiosios materijos šerdies modeliu.

Ne visi tamsiosios materijos modeliai numato tankius jos telkinius. Kai kurie jų teigia, kad tamsioji materija yra gana išskydusi ir tolygiai pasiskirsčiusi. Tačiau egzistuoja ir kandidatų, leidžiančių formuotis itin tankiems dariniams – fermioninės tamsiosios materijos modeliai. Fermionai paklūsta kvantinės mechanikos taisyklėms, kurios neleidžia jiems būti „begaliniai suspaustiems“. Panašiai elgiasi ir elektronai ar neutronai, kurie atsisako būti sutrombuoti į neribotai mažą tūrį, kai pasiekiamas tam tikras tankio slenkstis.

Teoriškai tokia sistema gali sudaryti itin tankų, gravitaciškai stabilų telkinį, primenantį baltąją nykštukę ar neutroninę žvaigždę, tik sudarytą ne iš įprastų dalelių, o iš tamsiosios materijos fermionų.

Kyla natūralus klausimas: jei toks objektas iš tiesų būtų paukščių tako centre, ar žvaigždžių orbitos aplink jį elgtųsi kitaip nei aplink juodąją bedugnę?

Paukščių tako šerdyje yra vadinamųjų S žvaigždžių grupė, kurių itin sudėtinga „šokių“ dinamika atspindi ten esančios masės gravitacinį potencialą. Svarbiausia iš jų – žvaigždė S2. Jos orbitos periodas yra palyginti trumpas, vos 16 metų, todėl S2 judėjimas buvo stebimas ir išmatuotas ypatingu tikslumu, suteikiant mokslininkams išsamių duomenų.

Tyrėjai sumodeliavo S2 elgesį dviejais atvejais: darant prielaidą, kad Sgr A* yra įprasta supermasyvi juodoji bedugnė, ir laikant, kad centre glūdi kompaktiškas fermioninės tamsiosios materijos telkinys.

Abu modeliai atkartodavo žvaigždės judėjimą beveik vienodai tiksliai. Tai reiškia, kad rezultatai nepatvirtina, jog Sgr A* būtinai yra tamsiosios materijos telkinys, tačiau jie rodo, kad tokia galimybė yra visiškai suderinama su dabartiniais stebėjimais. Šiandien turimi duomenys tiesiog per silpni, kad leistų vienareikšmiškai atmesti bent vieną iš versijų.

Tačiau fermioninės tamsiosios materijos modelis turi ir papildomų privalumų. Europos kosminio teleskopo „Gaia“ sudarytas paukščių tako žvaigždžių pasiskirstymo ir judėjimo žemėlapis – kol kas išsamiausias – parodė, kad galaktikos sukimosi greitis didesniais atstumais nuo jos centro ima mažėti. Šis vadinamasis Keplerio tipo greičio mažėjimas yra lengviau paaiškinamas prielaida, kad paukščių taką gaubia milžiniškas, išsiplėtęs fermioninės tamsiosios materijos halo, nei kitais tamsiosios materijos modeliais.

„Tai pirmas kartas, kai tamsiosios materijos modelis sėkmingai sujungia tokias skirtingas skalės – nuo centrinio objekto iki visos galaktikos – ir geba paaiškinti tiek šiuolaikinius sukimosi kreivės duomenis, tiek ir žvaigždžių orbitas prie pat centro“, – pabrėžia Argüellesas.

Ateities stebėjimai gali padėti išnarplioti intriguojančią Sagitario A* prigimties mįslę. Ilgalaikiai žvaigždžių judėjimo stebėjimai gali atskleisti subtilius orbitų bruožus, kurie leis palenkti svarstykles į vieną ar kitą pusę. Taip pat itin svarbi bus informacija apie žvaigždes, skriejančias dar arčiau centro nei S2 – jų elgesys gali būti itin jautrus centrinio objekto fizinėms savybėms.

Be to, būsimi Event Horizon teleskopo stebėjimai gali atskleisti smulkesnes šviesos iškraipymų detales srityje aplink Sgr A*. Kai kurie požymiai, susiję su ekstremalia juodosios bedugnės gravitacija – pavyzdžiui, aiškiai apibrėžtas fotonų žiedas – galėtų būti pakitę arba visiškai neatsirasti, jei galaktikos šerdyje būtų ne juodoji bedugnė, o be horizonto egzistuojantis tamsiosios materijos branduolys.