Jesu li znanstvenici zaista otkrili crne rupe?

ZVUČI kao znanstvena fantastika — nekada sjajne zvijezde postaju nevidljive pod pritiskom vlastite gravitacijske sile i ništa, čak ni svjetlost, ne može pobjeći iz njih. Mnogi astronomi vjeruju da su takve crne rupe uobičajena pojava u svemiru. Da li biste htjeli nešto više saznati o njima? Priča počinje u prekrasnom sjevernom zviježđu zvanom Cygnus što znači “labud”.

Cygnus X-1 — crna rupa?

Od 1960-ih astronome je počelo zanimati stanovito područje u zviježđu Cygnus (Labud). Orbitalni opservatoriji, lansirani u područje iznad Zemljine atmosfere, otkrili su snažan izvor rendgenskog zračenja koji dolazi iz tog područja, nazvanog Cygnus X-1.

Znanstvenicima je već odavno poznato da što je neki objekt vrući, to emitira više energije u obliku kraćih, snažnijih elektromagnetskih valova. Ako zagrijavate komad željeza u jako vrućoj peći, ono će kad se usije prvo poprimiti crvenu, zatim žutu, pa bijelu boju, kako postaje sve vruće. Zvijezde su u tom pogledu kao željezne šipke. Relativno hladne zvijezde, temperature oko 3 000 K, crvenkaste su boje, dok žute zvijezde, kao što je Sunce, imaju na površini temperaturu od skoro 6 000 K.a Međutim, zvjezdani plin trebao bi biti zagrijan na milijune kelvina da bi se dobilo takvo rendgensko zračenje kakvo dolazi iz izvora Cygnus X-1. A nijedna zvijezda nema takvu temperaturu na površini.

U području Cygnus X-1 astronomi su otkrili zvijezdu koja ima površinsku temperaturu od 30 000 K — što je stvarno jako vruće, ali ni izbliza dovoljno za emisiju takvog rendgenskog zračenja. Procjenjuje se da ova zvijezda, registrirana u katalogu pod nazivom HDE 226868, ima 30 puta veću masu od Sunca, a udaljena je 6 000 svjetlosnih godina od Zemlje. Ovaj superdiv ima pratioca te oni u svom orbitalnom valceru svakih 5,6 dana naprave krug jedan oko drugog. Znanstvenici računaju da je pratilac svega nekoliko milijuna kilometara udaljen od HDE 226868. Prema nekim izvorima ovaj pratilac ima otprilike deset puta veću masu od Sunca. No postoji nešto jako neobično u vezi s ovim pratiocem — on je nevidljiv. Nijedna normalna zvijezda te veličine i na toj udaljenosti od Zemlje ne bi trebala biti nevidljiva. Znanstvenici kažu da toliko masivan objekt koji izgleda emitira rendgensko zračenje, ali ne i vidljivu svjetlost, ima dobre predispozicije da bude crna rupa.

Izlet u crnu rupu

Zamislite da možete otputovati u Cygnus X-1. Ako pretpostavimo da je to zaista crna rupa, ono što biste vidjeli moglo bi biti vrlo slično ilustraciji na 17. stranici. Velika zvijezda je HDE 226868. Dok ova zvijezda ima promjer od nekoliko milijuna kilometara, crna rupa ima promjer od možda nekih 60 kilometara. Sićušna crna točkica u središtu vrtloga vrućeg plina je događajni obzor, ili površina, crne rupe. Međutim, to nije čvrsta površina, već više kao neki sjenoviti dio. To je rub područja u kojem je gravitacija oko crne rupe toliko jaka da čak ni svjetlost ne može pobjeći. Mnogi znanstvenici vjeruju da se unutar obzora, u središtu crne rupe, nalazi točka nultog volumena i beskrajne gustoće, poznata kao singularnost, u koju je sva materija u crnoj rupi nestala.

Crna rupa usisava vanjske slojeve plina prateće zvijezde. Ovaj zvjezdani plin formira vrući disk kako plin sve brže i brže spiralno kruži te se trenjem oko crne rupe zagrijava. Ovaj disk pregrijanog plina proizvodi rendgensko zračenje na rubu crne rupe, kako plin pod djelovanjem jake gravitacije počinje kružiti nevjerojatnim brzinama. Naravno, jednom kad plin dospije u crnu rupu, onda više ni rendgensko zračenje — a ni bilo što drugo — ne može pobjeći iz nje.

Cygnus X-1 pruža spektakularan prizor, ali pazite da se suviše ne približite! Ne samo da je rendgensko zračenje smrtonosno već i njegova gravitacija. Na Zemlji, kad stojite uspravno, postoji nezamjetna razlika u gravitacijskoj sili između vaših stopala i glave. Ova razlika stvara privlačnu silu koja je toliko mala da se ne može osjetiti. Međutim, u Cygnusu X-1 ta je razlika 150 milijardi puta umnožena, stvarajući silu koja bi doslovce razvukla vaše tijelo, kao da nevidljive ruke vuku vaša stopala na jednu stranu, a glavu na drugu!

Cygnus A — je li to supermasivna crna rupa?

Postoji još jedno misteriozno područje u zviježđu Labuda. Jedino što se u tom području može vidjeti jest točkica blijedog svjetla udaljene galaktike, no to je jedan od najjačih izvora radiovalova na nebu. Naziva se Cygnus A i već preko 50 godina, otkad je otkriven, muči znanstvenike.

Preteško je i zamisliti udaljenost Cygnusa A. Dok je Cygnus X-1 unutar naše galaktike, udaljen nekoliko tisuća svjetlosnih godina, za Cygnus A pretpostavlja se da je udaljen stotine milijuna svjetlosnih godina. Dok su Cygnus X-1 i njegov vidljivi pratilac samo otprilike jednu svjetlosnu minutu udaljeni jedan od drugog, oblaci koje su formirala dva snažna mlaza radiovalova u Cygnusu A udaljeni su stotine tisuća svjetlosnih godina.b Očito da nešto u središtu Cygnusa A već stotinama tisuća, ili čak milijuna, godina emitira u suprotnim smjerovima ove snažne energetske mlazove, nešto poput puške koja ispaljuje kozmičke zrake. Detaljne radiokarte središta Cygnusa A otkrivaju da je u usporedbi s radiomlazovima, ova puška vrlo mala, manja od jednog svjetlosnog mjeseca. Da se čitavo to vrijeme pomicala, zrake bi bile savijene. Ali ovi misteriozni mlazovi savršeno su ravni, kao da je pušku koja ih ispaljuje stabilizirao neki ogromni žiroskop.

O čemu bi se moglo raditi? “Od mnogih teorija koje su se iznosile početkom 1980-ih da bi se objasnilo ovaj središnji energetski izvor”, piše profesor Kip S. Thorne, “samo je jedna uključivala ogroman i dugovječan žiroskop veličine manje od svjetlosnog mjeseca koji je sposoban proizvoditi takve jake mlazove. Ova jedinstvena teorija govorila je o divovskoj rotirajućoj crnoj rupi.”

Druge moguće crne rupe

Godine 1994. tek popravljen svemirski teleskop Hubble zavirio je u “obližnju” galaktiku M87, koja se prema procjenama nalazi na udaljenosti od 50 milijuna svjetlosnih godina. Zahvaljujući svojim poboljšanim optičkim svojstvima Hubble je otkrio vrtlog plina u središtu M87 koji se vrtio oko nekog objekta zapanjujućom brzinom od 2 milijuna kilometara na sat. Što bi moglo uzrokovati takvo brzo kretanje plina? Proračuni pokazuju da objekt u središtu tog vrtloga mora imati masu jednaku masi barem dvije milijarde Sunaca. No taj je objekt stisnut u “sićušni” prostor veličine našeg Sunčevog sustava. Jedina stvar koja bi prema mišljenju znanstvenika ikako mogla odgovarati ovom opisu jest supermasivna crna rupa.

Moguće crne rupe sada su otkrivene i u središtu brojnih obližnjih galaktika, među njima i naše prve susjede, Andromedine galaktike, udaljene samo nekih dva milijuna svjetlosnih godina. No postoji možda divovska crna rupa koja nam je još bliža od ove u Andromedi! Nedavna promatranja ukazuju na mogućnost postojanja jumbo crne rupe u središtu naše galaktike, Mliječne staze. Nešto u malom području s procijenjenom masom od 2,4 milijuna Sunaca uzrokuje da zvijezde u blizini središta naše galaktike kruže oko njega strahovitom brzinom. Fizičar Thorne komentira: “Dokazi koje smo tijekom 1980-ih postupno skupljali navode na zaključak da takve rupe ne postoje samo u središtu većine kvazara i radiogalaktika, već i u središtu većine velikih, normalnih galaktika (koje nisu radiogalaktike), kao što su Mliječna staza i Andromeda.”

Jesu li znanstvenici doista otkrili crne rupe? Moguće da jesu. U svakom slučaju, otkrili su neke vrlo nesvakidašnje objekte u zviježđu Labuda i u drugim zviježđima, koji se zasad najlakše mogu objasniti kao crne rupe. No možda će nova otkrića osporiti i ove sadašnje teorije.

Prije 3 500 godina Bog je upitao Joba: “Znaš li red nebeski?” (Job 38:33). Unatoč impresivnom znanstvenom napretku, to je pitanje još uvijek aktualno. Ustvari, baš kad čovjek vršeći promatranja počne misliti da shvaća svemir onda neočekivano otkrije nešto novo što poremeti njegove brižljivo konstruirane teorije. Za to vrijeme mi možemo i dalje s divljenjem promatrati zviježđa i uživati u njihovoj ljepoti!

[Bilješke]

[Okvir na stranicama 16 i 17]

Kako bi mogle nastati crne rupe?

PREMA sadašnjim znanstvenim spoznajama zvijezde sjaje zbog neprekidne borbe koja se odvija između gravitacije i nuklearnih sila. Da gravitacija ne stišće plin duboko u unutrašnjost zvijezde, ne bi se mogla odvijati nuklearna fuzija. S druge strane, da nema nuklearne fuzije koja se odupire gravitacijskom privlačenju, neke bi se vrlo čudne stvari mogle dogoditi zvijezdama.

Znanstvenici vjeruju da kada zvijezde veličine otprilike kao naše Sunce potroše svoje nuklearno gorivo od vodika i helija, gravitacija ih stisne u vruće žeravice veličine otprilike naše Zemlje, a nazivaju ih bijeli patuljci. Bijeli patuljak može čak biti iste mase kao Sunce, no njegova je masa stisnuta u prostor koji je milijun puta manji.

Kad govorimo o običnoj materiji, o njoj možete razmišljati kao o uglavnom praznom prostoru, budući da se gotovo cjelokupna masa svakog atoma nalazi u sićušnoj jezgri okruženoj puno većim oblakom elektrona. No unutar bijelog patuljka gravitacija stisne elektronski oblak na djelić njegovog prijašnjeg volumena, smanjujući zvijezdu na veličinu planeta. Kod zvijezda veličine otprilike našeg Sunca u ovom trenutku uspostavlja se ravnoteža između gravitacije i sila koje posjeduju elektroni, koji sprečavaju daljnje stezanje.

No što se događa sa zvijezdama koje su teže od Sunca i imaju jaču gravitaciju? Gravitacijska sila zvijezda koje imaju 1,4 puta veću masu od Sunca toliko je jaka da elektronski oblak stezanjem potpuno nestane. Protoni i elektroni potom se spajaju u neutrone. Neutroni se suprotstavljaju daljnjem stezanju, osim ako gravitacija nije prejaka. Umjesto bijelog patuljka veličine planeta, rezultat je neutronska zvijezda veličine malog asteroida. Neutronske zvijezde sastoje se od najgušće poznate materije u svemiru.

No što ako se gravitacijska sila poveća? Znanstvenici vjeruju da je u zvijezdama koje imaju otprilike triput veću masu od Sunca gravitacija prejaka da bi je neutroni izdržali. Nijedan oblik materije koji je poznat fizičarima ne može se oduprijeti kumulativnoj sili te silne gravitacije. Čini se da se lopta neutrona veličine asteroida ne bi samo stisla u još manju loptu već bi nestala, došla bi do točke koja se naziva singularnost, ili bi se pretvorila u neki još neopisan teoretski entitet. Zvijezda bi naizgled nestala, ostavljajući za sobom samo svoju gravitaciju i crnu rupu na mjestu gdje je nekad bila. Crna rupa stvorila bi gravitacijsku sjenu na mjestu bivše zvijezde. U tom bi području gravitacija bila toliko jaka da ništa — čak ni svjetlost — ne bi mogla pobjeći.

[Slike na stranici 16]

U zviježđu Cygnus nalazi se između ostalog i Sjevernoamerička maglica (1) te Koprenasta maglica (2). Cygnus X-1 (3) nalazi se na sredini labudovog vrata

Cygnus (Labud)

[Zahvala]

Tony i Daphne Hallas/Astro Photo

Tony i Daphne Hallas/Astro Photo

[Slike na stranici 17]

Zamišljeni izgled Cygnusa X-1

Crne rupe otkrivaju se na temelju njihovog djelovanja na druga tijela. Ova ilustracija pokazuje kako crna rupa uvlači zvjezdane plinove

Umjetnički prikaz crne rupe (unutar crvenog pravokutnika) i uvećano (ispod)

[Zahvala na stranici 14]

Einstein: U.S. National Archives photo