Mokslininkai tai pamatė pirmą kartą: užfiksuotas stulbinantis juodosios bedugnės efektas

Šis reiškinys vadinamas erdvėlaikio vilkimu (angl. frame-dragging) arba Lense–Thirringo efektu. Jį pavyko stebėti galaktikos LEDA 145386 centre, maždaug už 400 milijonų šviesmečių nuo Žemės. Tai suteikė unikalią galimybę astronomams realiu laiku stebėti, kaip veikia bendroji reliatyvumo teorija.

„Tai tikra dovana fizikams – mes patvirtiname prognozes, padarytas daugiau nei prieš šimtą metų,“ – aiškina astrofizikas Cosimo Inserra iš Kardifo universiteto Jungtinėje Karalystėje. „Be to, šie stebėjimai leidžia geriau suprasti potvyninių suardymo įvykių (TDE) prigimtį – kas nutinka žvaigždei, kai ją suplėšo milžiniškos juodosios bedugnės gravitacinės jėgos.“

Erdvėlaikio vilkimas yra bendrosios reliatyvumo teorijos numatytas efektas, kurį nesunku įsivaizduoti. Tarkime, į medų įmerkiate šaukštą ir pradedate jį sukti. Medus ima suktis kartu su šaukštu – stipriausiai šalia šaukšto ir vis silpnėdamas tolstant nuo jo. Tokiu pačiu principu veikia ir sukantis masyvus kosminis objektas: jis „įvelka“ aplinkinį erdvėlaikį į savo sukimąsi.

Bet koks masę turintis objektas gravitaciškai iškreipia erdvėlaikį. Jei tas objektas dar ir sukasi, erdvėlaikis įgauna papildomą „posūkį“. Šis efektas jau ne kartą buvo stebėtas, įskaitant ir tai, kaip jis veikia Žemę supančius palydovus.

Vis dėlto netoli Žemės šis poveikis yra silpnas ir sunkiai aptinkamas. Kur kas ryškiau erdvėlaikio vilkimas pasireiškia aplink ypač masyvius kūnus – pavyzdžiui, supermasyvias juodąsias bedugnes, kurių masė siekia kelis milijonus Saulės masių. Tokios sistemos yra puikios laboratorijos šiam reiškiniui tirti.

Problema ta, kad dauguma supermasyvių juodųjų bedugnių yra pernelyg toli, kad būtų galima detaliai stebėti jų subtilesnę veiklą. Todėl mokslininkams dažnai tenka laukti katastrofiškų įvykių – pavyzdžiui, žvaigždės sunaikinimo – kad būtų galima išmatuoti sunkiau pastebimus efektus.

Būtent taip nutiko ir su juodąja bedugne galaktikos LEDA 145386 centre. Jos masė prilygsta maždaug 5 milijonams Saulės masių.

2024 metų sausį Zwicky laikinių reiškinių stebėjimo sistema užfiksavo staigų šio objekto pašviesėjimą. Iš šviesos pokyčių buvo nustatyta, kad tai atitinka potvyninio suardymo įvykį – šviesos „riksmą“, kurį skleidžia žvaigždė, draskoma milžiniškos juodosios bedugnės gravitacijos. Tokie įvykiai yra reti, bet labai vertingi tyrimams, todėl astronomai ėmė juos atidžiai sekti.

„Kai žvaigždė praskrieja arti supermasyvios juodosios bedugnės, stipri gravitacija ją ištampo ir galiausiai suplėšo, todėl žvaigždės medžiaga ima kristi ant juodosios bedugnės,“ – aiškina astronomas Santiago del Palacio iš Chalmerio technologijos universiteto Švedijoje. „Tokie įvykiai tampa itin ryškūs. Kai naują potvyninį suardymą aptiko optinis teleskopas, tai iškart paskatino mus kuo skubiau pradėti stebėti juodąją bedugnę įvairiuose elektromagnetinio spektro ruožuose.“

Ilgainiui paaiškėjo keistas dėsningumas. Kas 19,6 dienos iš juodosios bedugnės sklindantys rentgeno spinduliai šviesiu būdu pakisdavo daugiau nei dešimtį kartų. Tuo pat metu labai stipriai – daugiau nei dešimtis tūkstančių kartų – svyravo ir radijo bangų intensyvumas. Svarbiausia tai, kad rentgeno ir radijo spinduliuotės pokyčiai buvo sinchroniški.

Juodosios bedugnės žvaigždės „prarijimas“ vadinamas potvyniniu suardymo įvykiu, nes žvaigždę suardo juodosios bedugnės potvyninės (gravitacinės) jėgos. Tačiau žvaigždė nedingsta akimirksniu už įvykių horizonto. Pirmiausia jos sudraskyta medžiaga išsisklaido ir sudaro aplink juodąją bedugnę besisukantį akrecinį diską, iš kurio dalis medžiagos pamažu krinta į vidų.

Ne visa žvaigždės medžiaga patenka į juodąją bedugnę. Manoma, kad dalis jos, judėdama magnetinių laukų linijomis, yra nunešama juodosios bedugnės polių kryptimi ir milžiniška jėga iššaunama į kosmosą. Taip susidaro galingos čiurkšlės (jetai), kurių dalelės lekia beveik šviesos greičiu.

Akrecinis diskas aplink juodąją bedugnę skleidžia rentgeno spinduliuotę, o čiurkšlėse daleles spartinant sinchrotrono efektu susidaro radijo spinduliuotė. Sinchroniški abiejų rūšių šviesos svyravimai rodo, kad visa ši sistema svyruoja tarsi besisukantis vilkelis – tai ir yra erdvėlaikio vilkimo pasekmė.

„Tokia didelio stiprumo, kelių bangų ruožų ir beveik periodiška sinchroninė kaita labai aiškiai rodo standų ryšį tarp akrecinio disko ir čiurkšlės, kurie kartu precesuoja, tarsi giroskopas, aplink juodosios bedugnės sukimosi ašį,“ – aiškina viena iš tyrimo autorių Yanan Wang iš Kinijos mokslų akademijos.

Teoriniai modeliai, kuriuose pavaizduotas kartu svyruojantis diskas ir čiurkšlė, gerai sutapo su stebėjimų duomenimis. Tai patvirtina, kad tokios sistemos kaip LEDA 145386 juodoji bedugnė gali veikti kaip savotiška laboratorija ne tik akrecijos procesams ir čiurkšlių formavimuisi tirti, bet ir bendrosios reliatyvumo teorijos prognozėms tikrinti.

„Parodydami, kad juodoji bedugnė gali vilkti erdvėlaikį ir sukurti šį erdvėlaikio vilkimo efektą, mes pradedame geriau suprasti ir patį mechanizmą,“ – sako Inserra. „Panašiai kaip besisukantis įelektrintas kūnas sukuria magnetinį lauką, taip masyvus, besisukantis objektas – šiuo atveju juodoji bedugnė – generuoja gravitomagnetinį lauką, kuris daro įtaką netoliese judančioms žvaigždėms ir kitiems kosminiams objektams.“