Crna rupa u središtu galaksije?

Više od tri decenije astronomskih posmatranja je pokazalo da se u centru naše Galaksije nalazi masivni, kompaktan objekat, nazvan Sgr A*, sa masom od oko 4,6 miliona masa Sunca, koji je interpretiran kao crna rupa. Ovaj zaključak sledi prevashodno iz merenja kretanja zvezda bliskih centru naše Galaksije. Za ovaj projekat astronomi Andrea Gez i Ričard Genzel su podelili jednu polovinu Nobelove nagradu za 2020. godinu.

Dve godine kasnije, veliki tim astronoma je koristeći integrisanu mrežu interkontinentalnih radio teleskopa uspeo da sintetiše sliku ove crne rupe. Njen izmeren prečnik se kroz osnovnu formulu crnih rupa slagao sa gore izmerenom masom.

Bez obzira na ovaj napredak, već nekoliko godina druge grupe fizičare su ispitivale alternativnu mogućnost da kompaktan objekat u centru naše Galaksije nije crna rupa već koncentracija čestica naročite vrste „tamne materije.“

U kontekstu naše Galaksije prevashodna evidencija za postojanje „tamne materije“ je orbitalno kretanje zvezda dalje od centra, koje ukazuje da pored nama vidljivih zvezda postoje još dve komponente: masivni ne-zvezdani objekat u centru i razuđeni halo veći od vidljive Galaksije.

Standardna interpretacija je da je kompaktan objekt u centru crna rupa a da se halo sastoji od masivnih, električno neutralnih čestica, koje su stoga nevidljive, takozvana tamna materija.

Sa teorijske strane međutim nije jasno šta bi bila masa tih čestica i njena druga svojstva, tako da fizičari ispituju razne mogućnosti. Ogroman tehnološki napredak u posmatranjima, kombinovan sa moćnim kompjuterskim simulacijama, omogućava detaljno testiranje raznih hipoteza.

Jedna od tih mogućnosti je hipoteza koja polazi od činjenice da u prirodi postoje dve vrste čestica, bozoni, koji imaju tendenciju nagomilavanja u osnovnom stanju, i fermioni, koji naprotiv imaju svojstvo da samo jedan  fermion može da ima specifičnu brzinu na specifičnoj lokaciji.

Elektron na primer je fermion, i to je osnovni razlog zašto su atomi stabilni: nemoguće je da svi elektroni padnu u jezgro!

Ovog meseca objavljena je nova studija grupe fizičara i astronoma baziranih u Argentini, Italiji, i Nemačkoj, koja je iznela nove rezultate u prilog hipoteze da je centralni objekat u našoj galaksiji koncentracija fermionske tamne materije, koja inače ispunjava svu našu Galaksiju.

Ova grupa je pokazala da postoji raspon mogućih vrednosti za masu ovih čestica tako da postoji kompaktno jezgro, iste mase kao i crna rupa u standardnoj interpretaciji, a da se zbog pomenutog svojstva fermiona ipak nije urušilo u crnu rupu. 

Ovaj model povezuje tri nezavisne serije preciznih astronomskih posmatranja

Kretanje takozvanih "S-zvezda" koje jure oko centra brzinama od oko 30.000 kilometara u sekundi (što je 10% brzine svetlosti).

Posmatrane orbite takozvanih "G-izvora", tajanstvenih objekata blizu centra Galaksije obavijenih prašinom, koji takođe obilaze oko centra sa velikim brzinama.

Precizne mape rotacije i orbita zvezda i gasa u spoljnim delovima galaksije, daleko od centra, koja je obavio satelit „Gaia.“ 

Posmatranja S-zvezda i G-objekata su bila ključni argument za postojanje centralne crne rupe. Merenja satelita „Gaia“ su potvrdila da se zvezde na krajevima naše Galaksije kreću brže nego što bi se očekivalo da se Galaksija sastoji samo od zvezda, što je ključni argument za postojanje haloa tamne materije. Ali ova merenja su pokazala i da se na većim daljinama pojavljuje karakterističan pad u brzinama zvezda, baš kao u Sunčevom sistemu gde se dalje planete kreću sporije od bližih, što ukazuje na veću ulogu centralnog objekta. Taj fenomen je poznat kao "Keplerov pad" (Keplerian decline).

Nova studija je pokazala da je moguće objasniti ove tri posmatračke činjenice hipotezom da se tamna materija sastoji od električno neutralnih fermionskih čestica relativno male mase. Simulacije su ukazale na najverovatnije vrednosti od oko 3/5 mase elektrona.

Prema ovoj viziji, srce Mlečnog puta je samo najgušći, najkompaktniji deo šire raspodele tamne materije koja se u razređenijem obliku proteže daleko izvan vidljivih zvezdanih granica naše galaksije. Ovo je, kažu autori, prvi put da jedan model uspešno premošćuje tako drastične razmere — od milisekundi luka u orbitama centralnih zvezda do grandiozne rotacije čitave galaksije.

Naročito je interesantno kako ovaj model objašnjava čuvenu integrisanu sliku Sgr A* koju je 2022. objavio Event Horizon Telescope (EHT). Na toj slici vidimo tamnu "senku" okruženu svetlim prstenom, što je do sada smatrano nepobitnim dokazom postojanja crne rupe.

Tamna materija ne emituje niti apsorbuje svetlost, pa je providna. Međutim u ovom modelu gusto jezgro fermionske tamne materije može savijati svetlost toliko snažno da fokusira okolnu vrelu plazmu u sjajan prsten, dok središnji deo, izgleda taman iako je providan! 

Treba reći da autori studije pošteno priznaju da su njihove simulacije pokazale ne više od 1% razlike u odnosu na objašnjenje posmatranja preko standardnog modela centralne crne rupe. Takođe, oni kažu da potpuno suprotna mogućnost, da se radi o tamnoj materiji bozonskog a ne fermionskog tipa, i dalje nije potpuno isključena, kako su pokazale studije drugih.

Osnovna teškoća ovih istraživanja je što fizičari još uvek ne mogu da „uhvate“ čestice tamne materije u laboratoriji, gde pod kontrolisanim uslovima mogu da izmere njihovu prirodu, bozonska ili fermionska, njihovu masu, i prirodu njihove vrlo slabe interakcije sa običnom materijom. 

Do tada neophodno je i neizbežno razmotriti pažljivo različite mogućnosti i pokušati da se nađe način da se one testiraju. 

Suštinski takav test ovog modela je već planiran. Razrešenje leži u takozvanim "fotonskim prstenovima". Ako je u centru naše Galaksije zaista crna rupa, buduća posmatranja ultra-visoke rezolucije, koristeći takozvani VLT (Very Large Telescope, kombinaciju četiri teleskopa od 8,1 m u prečniku u Čileanskim Andima)  morala bi da detektuju ove specifične, tanke prstenove svetlosti nastale usled ekstremnog zakrivljenja u blizini horizonta događaja crne rupe. Ako je reč o fermionskoj grudvi tamne materije, ti prstenovi će izostati. 

Ovaj test će biti konačni sudija koji će odlučiti da li objekat Sgr A* u centru naše Galaksije ostaje crna rupa ili postaje prvi identifikovani objekat nove fizike. Što će imati posledice za celokupnu paradigmu tamne materije.

Prema: https://www.space.com/

Po preporuci M. Krstića.