ASTRONOMI su identificirali crnu rupu najbližu Zemlji.

Na sreću, vrlo je mala. No otkriće je zanimljivo upravo zato što je manja nego što se to od crne rupe očekuje. Štoviše, toliko je mala da je za nju stvorena posebna kategorija.

Novootkrivena crna rupa nalazi se na samo 1500 svjetlosnih godina od Zemlje u našoj galaksiji.

Zbog neobičnih svojstava i zviježđa u kojem je pronađena, tim sa Sveučilišta Ohio, koji ju je otkrio, nazvao ju je Jednorog.

"Kada smo pogledali podatke, ta crna rupa Jednorog jednostavno je iskočila", rekao je astronom Tharindu Jayasinghe. "Pa kako to da je nismo vidjeli prije? Ispostavilo se da smo imali spuštene astronomske rolete", dodao je.

Treba napomenuti da simulacija prikazana na naslovnoj slici nije Jednorog, već prikaz onoga što se zbiva u sustavu zvijezde i crne rupe kada crna rupa počne razvlačiti zvijezdu i gutati njezine plinove.

Jazovi u ljestvicama mogućih masa crnih rupa

Prema teoriji, crne rupe mogu postojati u svim veličinama - od sićušnih koje brzo nestaju do supermasivnih divova koji pokreću srca galaksija. Mnogi će se sjetiti da se nakon pokretanja eksperimenata u Velikom hadronskom sudaraču u CERN-u u medijima spekuliralo o mogućnosti da ondje slučajno bude stvorena neka sićušna crna rupa.

Međutim, kada je riječ o crnim rupama koje nastaju urušavanjem jezgara mrtvih zvijezda u svemiru, astronomi su tijekom godina otkrili da u ishodima tih procesa postoje neka ograničenja, a s time i praznine u mogućim masama.

Primjerice, ako se uruši zvijezda mase manje od granične za koju izračuni daju da je približno 2.3 mase našeg Sunca, Opća relativnost predviđa da će postati neutronska zvijezda ili bijeli patuljak, a ne crna rupa. Naime, Opća relativnost i Standardni model fizike čestica predviđaju da postoji gornja granica za mase stabilnih neutronskih zvijezda, a koja iznosi približno 2.3 mase Sunca. To ne znači a priori da u kolapsu zvijeze mase manje od granične, pod nekim specifičnim okolnostima, ne može nastati crna rupa. Ipak, očekivati je da se to ne događa, a modeli to potvrđuju. Donedavno nisu pronađene crne rupe nastale urušavanjem zvijezda s masama manjim od od 5 Sunčevih.

Spuštene astronomske rolete

Prije nego što su astronomi pronašli prve manje crne rupe, njihovo postojanje bilo je toliko dvojbeno da su, kada su primijetili da obližnju divovsku crvenu zvijezdu nešto privlači, isprva odbacili mogućnost da bi to mogla biti malena crna rupa.

No, Jayasinghe je to promatrao iz drugačije perspektive. Kao doktorandu, mentor mu je rekao da je moguće da u svemiru postoje i male crne rupe, a on je to htio istražiti. Analizirajući podatke različitih teleskopskih sustava i satelita, svoja umijeća brusio je na istraživanju crvenog diva u zviježđu Jednoroga, koji je bio u posljednjoj fazi svojeg života.

Brzina zvijezde i način na koji ju je vukla gravitacija sugerirali su da pored nje postoji crna rupa. Izračuni su utvrdili da bi veličina tog nevidljivog suputnika mogla biti oko 3 Sunčeve mase.

"Baš kao što Mjesečeva gravitacija iskrivljuje Zemljine oceane, uzrokujući da se oni izboče prema Mjesecu i u suprotnom smjeru od njega, proizvodeći plime i oseke, tako i crna rupa iskrivljuje zvijezdu u oblik sličan lopti za američki nogomet, s jednom osi duljom od druge", objasnio je astronom Todd Thompson, koji je u prošlosti pomogao pronaći neke druge male crne rupe.

"Najjednostavnije objašnjenje je da je riječ o crnoj rupi - a u ovom slučaju je najjednostavnije objašnjenje ujedno i najvjerojatnije", dodao je Thompson.

Zašto satelit razvlači suputnika kao loptu za ragbi?

Budući da je iskrivljenje crvenog diva u oblik lopte za ragbi bilo ključno za otkriće crne rupe, zanimljivo je pokušati razumjeti zašto se ono događa.

Ako se pitate zašto se plima javlja na suprotnim stranama Zemlje, odnosno zašto se javlja i na strani okrenutoj suprotno od Mjeseca, a ne samo na onoj okrenutoj prema njemu, dok se oseka javlja u područjima između (što vrijedi i za sustav crne rupe i divovske zvijezde), pokušajte si predočiti neke ključne sile koje djeluju na oceane na Zemlji. Pritom imajte na umu da je zvijezda cijela elastična, dok su na Zemlji to uglavnom samo vodene mase.

Prije svega i iznad svega u ovom sustavu dva tijela imamo djelovanje privlačne sile gravitacije Mjeseca na Zemlju koja pada s kvadratom udaljenosti pa je najsnažnija na dijelu Zemlje okrenutom prema Mjesecu, a najslabija na suprotnom dijelu (plave strelice na slici dolje).

Osim toga imamo centrifugalnu silu zato što se čitava Zemlja vrti oko zajedničkog središta masa Zemlje i Mjeseca, tzv. baricentra koji se nalazi između središta Zemlje i Mjeseca. Zbog toga se voda na čitavoj Zemlji želi micati u smjeru suprotnom od smjera Mjeseca na liniji kojom su gravitacijom povezani Zemlja i Mjesec (žute strelice na slici dolje), slično kao što se voda u kanti koju vrtite oko sebe "zalijepi" za dno kante na liniji vaša ruka - kanta.

Konačno, imamo djelovanje Zemljine gravitacije na oceane koje je posvuda slično, a smjer mu je prema središtu Zemlje.

Kada se sve te sile zbroje i oduzmu, dobivaju se rezultirajuće sile koje izgledaju kao na slici dolje (debele tamno plave strelice). Plima i oseka raspoređuju se po Zemlji u skladu s tim strelicama.

Ovo je pojednostavnjeni model, no, ako ste ga uspjeli shvatiti, budite ponosni, jer je pitanje mehanizma plime i oseke jedno od onih koje profesori fizike znaju postavljati studentima na fakultetima. 

Znanstvenici desetljećima nisu znali postoje li u svemiru ikakvi kandidati za manje crne rupe. Ako rezultati istraživanja, koje će biti objavljeno u časopisu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, budu potvrđeni, Jednorog će se pridružiti omanjem skupu od nekoliko drugih otkrivenih malenih crnih rupa.

"Mislim da nas ovo područje istraživanja gura prema tome da stvarno mapiramo koliko u svemiru oko nas ima crnih rupa male, srednje i velike mase", kaže Thompson.

"Jer svaki put kada pronađete neku, ona vam daje neke odgovore na pitanja koje zvijezde se urušavaju, koje eksplodiraju, a koje se nalaze u sredini“, dodao je.

Jazovi na ljestvici masa crnih rupa

Postoje dva glavna jaza na ljestvici masa crnih rupa koje nastaju urušavanjem zvijezda.

Zvjezdane crne rupe su crne rupe koje nastaju gravitacijskim urušavanjem zvijezda. Kada zvijezde potroše svoju nuklearnu energiju koja stvara potisak prema van, njihov materijal počinje se urušavati pod privlačnim silama goleme gravitacije koja nadvlada potisak. One imaju mase u rasponu od oko 5 do nekoliko desetaka Sunčevih masa.

No, neki modeli evolucije zvijezda predviđaju da crne rupe s masama u dva raspona ne mogu izravno nastati gravitacijskim kolapsima zvijezda. Oni se ponekad razlikuju kao "donji" i "gornji" maseni jaz, što približno predstavlja raspon od 2 do 5, odnosno od 50 do 150 Sunčevih masa. Ovdje treba imati u vidu da je modeliranje kolapsa ultrakompaktnih objekata vrlo zahtjevno i precizne predikcije treba uzimati sa zrnom soli.

Donji jaz u masama

Postojanje donjeg masenog jaza, odnosno manjka crnih rupa s malim masama, temelji se na tome da je do sada uočen mali broj kandidata s masama unutar nekoliko Sunčevih, a iznad maksimalne moguće mase neutronske zvijezde. No, teorijska osnova za taj mogući jaz nije baš jasna. Situacija se može zakomplicirati činjenicom da su bilo kakve crne rupe pronađene u ovom rasponu masa mogle nastati spajanjem dvojnih neutronskih zvjezdanih sustava, a ne zvjezdanim kolapsom. Kolaboracija LIGO/Virgo izvijestila je o tri moguća kandidata koji su se pojavili u njihovim promatranjima gravitacijskih valova.

Kada se tome doda novo otkriće Jednoroga, može se zaključiti da možda postoji mnogo crnih rupa male mase koje trenutno ne gutaju nikakav materijal, stoga ih se ne može otkriti uobičajenim snimanjem u području rendgenskih zraka koje nastaju trenjem materijala nastalim prilikom takvog gutanja.

Gornji jaz u masama

Raspon za gornji jaz u masama kreće se od 52 do 133 mase Sunca. 150 Sunčevih masa smatra se gornjom granicom mase zvijezda u trenutnoj eri svemira.

Gornji jaz mase predviđen je sveobuhvatnim modelima kasne faze evolucije zvijezda. Očekuje se da će s povećanjem mase supermasivne zvijezde doći do faze u kojoj se javljaju tzv. supernova nestabilnosti zvjezdanog para, tijekom kojih stvaranje slobodnih elektrona i pozitrona u sudaru između atomskih jezgara i gama-zraka privremeno smanjuje unutarnji tlak koji se u jezgri zvijezde opire gravitacijskom urušavanju. Taj pad tlaka dovodi do djelomičnog urušavanja, što zauzvrat uzrokuje jako ubrzano izgaranje u termonuklearnoj eksploziji i konačno dovodi do potpunog raspada zvijezde koja za sobom ne ostavlja nikakav zvjezdani ostatak - ni neutronsku zvijezdu ni crnu rupu.