Je, Kweli Wanasayansi Wamepata Mashimo Meusi?

YAONEKANA kuwa hadithi ya kisayansi—wakati mmoja yalikuwa nyota nyangavu, ambazo zilipoteza mng’ao wake na kuporomoshwa na nguvu zake zenyewe za uvutano, bila kitu chochote, hata nuru, kubaki. Wataalamu wa anga huamini kwamba huenda kuna mashimo meusi mengi kama hayo katika ulimwengu. Je, ungependa kujua mengi kuyahusu? Mambo yaanza katika nyota maridadi za kaskazini zinazoitwa Cygnus, linalomaanisha “Bata Maji.”

Je, Cygnus X-1—Ni Shimo Jeusi?

Tangu miaka ya 1960, wataalamu wa nyota wamependezwa na eneo fulani la nyota ziitwazo Cygnus. Darubini zinazozunguka angani zilizorushwa juu ya angahewa la Dunia ziligundua miale-X mingi sana ikitoka katika eneo hili, lililoitwa Cygnus X-1.

Kwa muda mrefu wanasayansi wametambua kwamba kadiri kitu kinavyopata kuwa moto, ndivyo kitokezavyo nishati nyingi kwa mawimbi ya sumakuumeme, yenye nguvu zaidi na yenye masafa mafupi zaidi. Ukiweka kipande cha chuma ndani ya tanuri moto sana, mara ya kwanza kitakuwa chekundu kisha manjano na cheupe kadiri kiwavyo moto. Kwa njia kama hiyo, nyota ni kama vipande vya chuma. Nyota zilizo na joto la kadiri, karibu 3,000 K, huwa nyekundu, ilhali nyota ya manjano, kama Jua, ina uso wenye halijoto inayokaribia 6,000 K.a Hata hivyo, ungehitaji kupasha moto gesi za nyota kwa mamilioni ya kelvin ili kupata mnururisho wa miale-X itokayo kwa Cygnus X-1. Hakuna nyota iliyo na uso wenye joto kama hiyo.

Mahali ilipo Cygnus X-1, wataalamu wa nyota wamepata nyota yenye uso ulio na joto linalokadiriwa kuwa Kelvin 30,000—moto kwelikweli, lakini si moto vya kutosha kutokeza miale-X. Nyota hii, ambayo imeitwa HDE 226868, inakadiriwa kuwa kubwa mara 30 hivi kuliko Jua na iko umbali wa miaka-nuru 6,000 kutoka kwenye Dunia. Dubwana hili la nyota lina mwandamani, nazo huzungukana kila baada ya siku 5.6. Wanasayansi hukadiria kwamba mwandamani huyu yuko mamilioni ya kilometa chache tu kutoka HDE 226868. Kulingana na habari fulani, mwandamani huyu ni mkubwa kushinda Jua mara kumi hivi. Lakini kuna kitu fulani cha kustaajabisha kuhusu mwandamani huyu—haonekani. Hakuna nyota ya kawaida yenye ukubwa kiasi hicho ambayo haiwezi kuonekana katika umbali huo kutoka Duniani. Kitu kikubwa namna hiyo ambacho hutoa miale-X lakini si nuru ionekanayo chaweza kuwa shimo jeusi, wasema wanasayansi.

Safari ya Kwenda Kwenye Shimo Jeusi

Ebu wazia kuwa umeweza kusafiri mpaka Cygnus X-1. Tukidhania kwamba kweli hilo ni shimo jeusi, kile ungeona kingeweza kufanana na kielezi katika ukurasa wa 17. Nyota hiyo kubwa ni HDE 226868. Ingawa nyota hii ina kipenyo cha mamilioni ya kilometa, shimo jeusi laweza kuwa na kipenyo cha kilometa 60 hivi. Alama ndogo sana nyeusi iliyo katikati ya tufani ya gesi yenye kuwaka ni uso wa shimo jeusi. Hata hivyo, hilo si thabiti, lakini ni kama kivuli. Ni ukingo wa eneo ambamo uvutano ulio kandokando ya shimo jeusi ni mkubwa sana hivi kwamba hata nuru haiwezi kuponyoka. Wanasayansi wengi hufikiri kwamba mle ndani, katikati ya shimo jeusi, hamna ujazo na kuna uzito usiopimika, unaoitwa hatua ya mwisho ya mata, ambamo mata yote katika shimo jeusi hutowekea.

Shimo jeusi hufyonza gesi ya tabaka za nje za nyota mwandamani. Gesi kutoka kwenye nyota hufanyiza umbo la sahani inayowaka wakati gesi izidipo kuzunguka haraka-haraka zaidi na kupashwa moto na msuguano kwenye mdomo wa shimo jeusi. Diski hii ya gesi yenye joto kali sana hutokeza miale-X nje tu ya shimo jeusi, mwendo wa gesi uongezwapo na uvutano mkali sana. Bila shaka, gesi iingiapo ndani ya shimo jeusi, hakuna miale-X—au kitu kingine chochote—kiwezacho kuponyoka.

Cygnus X-1 ni mwono wa kipekee, lakini usiikaribie sana! Si miale-X tu inayofisha bali pia uvutano wake. Duniani, panakuwa na tofauti kidogo sana katika nguvu za uvutano kati ya kichwa na miguu yako unaposimama. Tofauti hii hutokeza uvutano kidogo ambao hauwezi kuhisiwa. Hata hivyo, katika Cygnus X-1, hiyo tofauti ndogo huzidishwa mara bilioni 150, ikitokeza nguvu ambayo kwa kweli yaweza kuuvuta mwili wako, kana kwamba mikono isiyoonekana inavuta miguu yako kwa upande mmoja na kichwa chako kwa upande mwingine!

Cygnus A—Je, Ni Shimo Jeusi Kubwa Sana?

Kuna eneo jingine lisiloeleweka katika nyota za Cygnus. Kwa kuonekana, eneo hili lina nuru hafifu ya galaksi ya mbali, lakini hutokeza mojawapo ya mawimbi ya mnururisho yenye nguvu zaidi angani. Linaitwa Cygnus A, na tangu lilipogunduliwa zaidi ya miaka 50 iliyopita, wanasayansi wameduwazwa nalo.

Inastaajabisha kuwazia hali ya Cygnus A. Ingawa Cygnus X-1 iko katika galaksi yetu, umbali wa miaka-nuru michache, Cygnus A inafikiriwa kuwa umbali wa mamilioni ya miaka-nuru. Ijapokuwa Cygnus X-1 na mwandamani wake wanatenganishwa na dakika-nuru moja hivi, mawingu yanayofanyizwa na mawimbi mawili ya mnururisho katika Cygnus A yametenganishwa na mamia ya maelfu ya miaka-nuru.b Kwa wazi kitu fulani kilichomo katikati ya Cygnus A kimekuwa kikitupa nishati nyingi kwenye pande zinazotofautiana kwa maelfu au hata mamilioni ya miaka, kama bunduki inayofyatua miali. Ramani zenye mambo mengi za katikati ya Cygnus A hufunua kwamba kwa kulinganishwa na miali, bunduki ya miali ni ndogo sana, ndogo kuliko mwezi-nuru. Ikiwa ingeyumbayumba wakati wote, miali ingeenda kombo. Lakini miali hii yenye kustaajabisha ni laini kabisa, kana kwamba bunduki ya miali yenye kuzitokeza ilitegemezwa na gurudumu tuzi kubwa sana.

Ni nini ambacho kingesababisha jambo hili? “Kati ya maoni mengi ambayo yametolewa kufikia miaka ya mapema ya 1980 ili kueleza chanzo cha nishati hiyo,” aandika Profesa Kip S. Thorne, “ni moja tu iliyotaja kuwapo kwa gurudumu tuzi bora sana lenye kudumu, na ambalo ni dogo kuliko mwezi-nuru, na lenye uwezo wa kutokeza mawimbi yenye nguvu nyingi. Wazo hilo la kipekee lilitaja kwamba kuna shimo jeusi kubwa lenye kuzunguka.”

Mashimo Mengine Meusi Yanayofikiriwa

Katika mwaka wa 1994 Darubini-Upeo ya Angani ya Hubble iliyorekebishwa upya ilichunguza kwa makini galaksi ya “karibu” iitwayo M87, inayokadiriwa kuwa umbali wa miaka-nuru milioni 50. Darubini zake zikiwa zimefanywa kuwa za kisasa, Hubble iligundua kimbunga cha gesi katikati mwa M87 ambacho kilikuwa kikizunguka kitu fulani kwa mwendo wa kustaajabisha sana wa kilometa milioni mbili kwa saa. Ni nini kingesababisha gesi hiyo kusafiri kwa mwendo wa kasi namna hiyo? Makadirio yalionyesha kwamba kitu hicho kilichomo ndani ya kimbunga lazima kiwe kilikuwa na uzani unaotoshana na angalau Jua bilioni mbili. Lakini kitu hicho kimeshindiliwa ndani ya nafasi “ndogo sana” inayotoshana na mfumo wetu wa jua. Kitu pekee wawezacho kuwazia wanasayansi ambacho labda kingetoshea ufafanuzi huu ni shimo jeusi lililo kubwa sana.

Kuna uwezekano wa kuwepo kwa mashimo meusi katikati ya galaksi kadhaa zilizo karibu, kutia ndani jirani yetu wa “karibu sana,” katika galaksi Andromeda, iliyo umbali wa miaka-nuru milioni mbili tu. Lakini kwaweza kuwa na shimo kubwa jeusi lililo karibu nasi kuliko Andromeda! Uchunguzi wa hivi majuzi hudokeza kwamba kwaweza kuwa na shimo jeusi kubwa sana katikati ya galaksi yetu, Kilimia. Kitu fulani katika eneo dogo, chenye uzani unaokadiriwa kuwa unatoshana na Jua milioni 2.4 kinasababisha nyota zilizo karibu na katikati ya galaksi yetu kukizunguka kwa mwendo wa kasi sana. Mwanafizikia Thorne asema hivi: “Uthibitisho, uliokusanywa polepole wakati wa miaka ya 1980, hudokeza kwamba mashimo hayawi tu katika kiini cha nyota kubwa-kubwa zilizo mbali na galaksi nyingi za mnururisho, bali pia katika viini vya galaksi kubwa (zisizo na mnururisho) kama vile Kilimia na Andromeda.”

Je, kweli wanasayansi wamepata mashimo meusi? Labda. Bila shaka wamegundua vitu fulani visivyo vya kawaida katika nyota za Cygnus na kwingineko ambavyo kwa sasa vyaweza kufafanuliwa kwa urahisi kuwa mashimo meusi. Lakini habari mpya zaweza pia kupinga nadharia zinazoaminiwa kikawaida.

Zaidi ya miaka 3,500 iliyopita, Mungu alimwuliza Yobu hivi: “Je! unazijua amri zilizoamuriwa mbingu?” (Ayubu 38:33) Zijapokuwa hatua zenye kuvutia za sayansi, bado swali hilo ni la wakati unaofaa. Kwani, wakati mwanadamu afikiripo kuwa anaanza kuuelewa ulimwengu ndipo mambo mapya asiyotarajia hutokea na kuvuruga nadharia zake alizokuwa amezipanga kwa makini sana. Kwa wakati huu, twaweza kutazama makundi ya nyota kwa mshangao na kuvutiwa na umaridadi wake!

[Maelezo ya Chini]

[Sanduku katika ukurasa wa 16, 17]

Ni Nini Kingefanyiza Shimo Jeusi?

UELEWEVU wa kisasa wa kisayansi huonyesha kwamba nyota hung’aa kwa sababu ya mg’ang’ano usiokoma kati ya uvutano na kani za nyuklia. Bila uvutano ambao hushindilia gesi ndani ya nyota, nyuklia haingeweza kuyeyuka. Kwa upande mwingine, nyuklia zisipoyeyuka ili kukinza nguvu za uvutano, mambo fulani ya ajabu sana yaweza kutokea kwa nyota.

Wanasayansi wanaamini kwamba nyota zinazokaribia kutoshana na jua letu zinapomaliza fueli yao ya nyuklia ya haidrojeni na heli, uvutano huzishindilia kuwa vitu moto vyenye ukubwa kama wa dunia, vinavyoitwa mbilikimo weupe. Mbilikimo mweupe aweza kuwa na uzito kama wa jua lakini uzito wake umeshindiliwa katika nafasi ndogo kuliko ya jua mara milioni moja.

Unaweza kufikiria mata ya kawaida kuwa hasa nafasi tupu, uzito wote wa atomu ukiwa katika kiini kidogo mno ambacho kimezingirwa na wingu kubwa zaidi la elektroni. Lakini ndani ya mbilikimo mweupe, uvutano hushindilia wingu la elektroni kuwa sehemu ndogo sana ya ukubwa wake wa awali, ikipunguza ukubwa wa nyota na kuifanya itoshane na sayari. Kwa habari ya nyota ambazo zimekaribia kutoshana na jua letu, kufikia hatua hiyo kunakuwa na usawaziko kati ya uvutano na kani za elektroni, zikizuia mbano zaidi.

Lakini namna gani nyota ambazo ni nzito kuliko jua, ambazo zina uvutano mkubwa zaidi? Kwa habari ya nyota ambazo ni kubwa kuliko jua mara 1.4, nguvu ya uvutano ni kubwa sana hivi kwamba wingu la elektroni hushindiliwa na kutoweka kabisa. Kisha protoni na elektroni huungana kuwa nutroni. Nutroni hukinza kushindiliwa zaidi, mradi uvutano si mkubwa sana. Badala ya mbilikimo mweupe mwenye ukubwa wa sayari, tokeo huwa nyota ya nutroni yenye ukubwa wa sayari ndogo. Nyota za nutroni zina mata inayojulikana kuwa na uzito mwingi zaidi katika ulimwengu.

Lakini namna gani, ikiwa uvutano waongezwa zaidi? Wanasayansi wanaamini kwamba katika nyota zilizo nzito mara tatu kuliko jua, uvutano huwa mkubwa sana hivi kwamba nutroni haziwezi kustahimili. Hakuna aina yoyote ya mata ijulikanayo na wanafizikia iwezayo kukinza kani hii yenye kujilimbikiza ya uvutano wote huu. Yaonekana kuwa ikiwa hiyo nutroni inayotoshana na sayari ndogo ingeshindiliwa na kumalizika na kufikia kiwango kinachoitwa hatua ya mwisho ya mata, au kuwa katika hali ambayo haijapata kufafanuliwa. Yaelekea nyota hiyo ingetoweka, ikibakisha uvutano wake na shimo jeusi mahali ilipokuwa. Shimo hilo jeusi lingefanyiza uvutano mahali palipokuwa nyota ya zamani. Ingekuwa katika eneo ambalo uvutano ulikuwa mkubwa sana hivi kwamba hakuna kitu chochote—hata nuru ambayo ingeweza kuponyoka.

[Picha katika ukurasa wa 16]

Miongoni mwa nyota zinazotiwa ndani ya nyota za Cygnus ni Nebula ya Amerika Kaskazini (1) na Nebula Veil (2). Cygnus X-1 (3) iko katika sehemu ya chini ya shingo ya bata-maji

[Hisani]

Tony and Daphne Hallas/Astro Photo

Tony and Daphne Hallas/Astro Photo

[Picha katika ukurasa wa 17]

Cygnus X-1 Kinadharia

Mashimo meusi hugunduliwa kwa athari yake kwa magimba mengine. Picha hii inaonyesha gesi zitokazo kwenye nyota zikivutwa ndani ya shimo jeusi

Wazo la msanii juu ya shimo jeusi (likiwa ndani ya mstatili mwekundu), na shimo jeusi likiwa limekuzwa (chini)

[Hisani ya Picha katika ukurasa wa 14]

Einstein: U.S. National Archives photo