SHIMO JEUSI LINALOMEZA MWANGA WAKE LENYEWE

Upeo wa matukio (event horizon) ndio unaolifanya shimo jeusi kuwa shimo jeusi: mpaka ambao zaidi yake hakuna kitu, hata mwanga, kinachoweza kurudi. Kwa ufafanuzi wake, hautuletei ishara yoyote. Darubini ya Event Horizon Telescope imepiga picha za vivuli vya mashimo meusi makubwa mno katika galaksi M87 na Sagittarius A* — ushahidi usio wa moja kwa moja wa upeo. Lakini upeo wa shimo jeusi lililozaliwa kutoka kwa nyota una upana wa makumi ya kilomita tu, mdogo mno kupigwa picha.

Hoja ya mwenzi hafifu

Wanaastronomia wana kidokezo kingine. Katika jozi ambamo nyota iliyokufa huvuta gesi kutoka kwa mwenzake, mifumo ya mashimo meusi iliyotulia kwa kawaida huwa hafifu takriban mara mia kuliko mifumo ya nyota za nyutroni yenye mizunguko inayofanana. Maelezo ni haya: gesi inayoanguka hugonga uso wa nyota ya nyutroni na kung’aa, wakati shimo jeusi humeza nishati hiyo.

Udhaifu uko katika dhana moja. Hoja hii inachukulia kwamba mizunguko inayofanana inamaanisha viwango vya ulishaji vinavyofanana. Kwa mizunguko inayozidi dakika 80, mwenzi anaweza kuwa kibete kahawia, nyota ya kawaida au nyota kubwa, na athari kadhaa zinaweza kuendesha mtiririko wa gesi. Kiwango halisi cha ulishaji hakijulikani.

Jozi zinazozunguka kwa dakika

Qian-Qi Ma, Wei-Min Gu na Mouyuan Sun wa Chuo Kikuu cha Xiamen, pamoja na Shan-Shan Weng wa Chuo Kikuu cha Ualimu cha Nanjing, waligeukia jozi za X-ray zilizobanana mno (ultra-compact X-ray binaries). Mzunguko unapochukua chini ya dakika 40, miili hiyo miwili iko karibu mno kiasi kwamba mwenzi anaweza kuwa kibete cheupe tu. Na mzunguko hupungua hasa kwa kutoa mawimbi ya mvutano.

Hilo huifanya mifumo hii kuwa maabara safi. Kiwango cha ulishaji basi hutegemea tu nadharia ya mvutano na jinsi ukubwa wa kibete cheupe unavyohusiana na uzito wake. Kinaweza kukokotolewa kutokana na kipindi cha mzunguko pekee, kwa kudhania uzito fulani: Jua 1.4 hadi 2 kwa nyota ya nyutroni, 3 hadi 20 kwa shimo jeusi.

Timu ilichagua mifumo mitano ya aina hiyo, yote ikiwa katika makundi ya nyota ya tufe (globular clusters), mipira minene ya nyota kongwe ambayo umbali wake unajulikana kwa usahihi wa 2%:

minne ina nyota ya nyutroni, iliyotambuliwa kwa milipuko yake ya X-ray ya kinyuklia-joto;
mmoja, 47 Tuc X-9, una shimo jeusi, lililotambuliwa kwa jinsi mionzi yake ya redio na X-ray inavyobadilika pamoja. Mzunguko wake huchukua takriban dakika 28.

Kisha walilinganisha wastani wa utoaji wa X-ray wa kila mfumo, uliochukuliwa kutoka Chandra, Swift na vituo vingine vya uchunguzi, na kiwango chake cha ulishaji kilichokokotolewa.

Hafifu mara elfu moja

Matokeo ni ufanisi wa mionzi (radiative efficiency): sehemu ya nishati ya maada inayoingia ambayo hutoka kama X-ray.

Kwa nyota zote nne za nyutroni, ni zaidi ya 5%.
Kwa shimo jeusi, ni chini ya 0.03%.

Pengo ni ngazi mbili hadi tatu za ukubwa (orders of magnitude). Jozi inayoshangaza zaidi: mfumo wa nyota ya nyutroni M15 X-2 na shimo jeusi 47 Tuc X-9 hulishwa kwa viwango vinavyofanana, takriban gramu 10¹⁶ kwa sekunde, lakini 47 Tuc X-9 ni hafifu mara elfu moja. Hata kwa kuzingatia kutokuwa na uhakika wa hadi mara kumi katika mng’ao wa baadhi ya vyanzo, makundi hayo mawili yanabaki kutengana.

Nishati inakwenda wapi

Waandishi wanaeleza hili kwa kile kilichopo chini kabisa. Nyota ya nyutroni ina uso mgumu: hata kama gesi moto inayoingia haitoi mionzi vizuri njiani, nishati yake hatimaye huwekwa juu ya uso huo na kutolewa tena. Shimo jeusi halina uso. Katika viwango vya chini vya ulishaji, sehemu kubwa ya nishati ya gesi hubebwa ndani kama joto — na kutoweka nyuma ya upeo.

Kwa waandishi, huu ni ushahidi madhubuti wa upeo wa shimo jeusi la kinyota, ingawa si wa moja kwa moja, kama muhtasari wao wenyewe unavyosema. Unategemea shimo jeusi moja tu. Wanatoa utabiri unaoweza kujaribiwa: nyota yoyote mpya ya nyutroni itakayopatikana katika jozi iliyobanana hivyo inapaswa kuangukia katika kundi linalong’aa, na shimo jeusi lolote lenye mzunguko unaofanana linapaswa kuwa hafifu kama 47 Tuc X-9.

Somo kwa mashimo meusi makubwa mno

Utafiti huu unabeba onyo pana zaidi. Kwa mashimo meusi, mng’ao ni kipimo duni cha kiasi wanachokula. Shimo jeusi linaweza kukua huku likibaki hafifu. Kwa mujibu wa waandishi, tafiti zinazokisia ukuaji wa mashimo meusi makubwa mno kutokana na mwanga wao zinaweza kukosa sehemu ya ukuaji huo.