Naukowcy próbują opisać narodziny, wzrost i moc czarnych dziur – jednych z najpotężniejszych, a jednocześnie trudnych do wykrycia obiektów we Wszechświecie.
Dopiero w 2022 roku astronomowie byli w stanie zaprezentować pierwsze obrazy supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w centrum naszej Galaktyki. Jednak w rzeczywistości nie można było zobaczyć samej czarnej dziury – tzn. nie bezpośrednio, gdyż jest ona tak gęsta, że jej grawitacyjne przyciąganie uniemożliwia ucieczkę nawet światłu. Ale obraz Sagittariusa A*, jak nazywa się czarna dziura w naszej Galaktyce, ujawniła świecące halo gazu wokół obiektu. Ta czarna dziura ma masę milion razy większą niż nasze Słońce. Ostatnie odkrycia tego typu, jak również wiele innych, zadziwiły astronomów. Od kilku lat wszystko, co wydawało nam się, że wiemy o czarnych dziurach, opatrzone jest znakiem zapytania – mówi prof. Michela Mapelli, astrofizyk z Uniwersytetu w Padwie.
Każdy słyszał o czarnych dziurach – niewiele osób jednak zdaje sobie sprawę, jak bardzo te dziwne obiekty wciąż niepokoją astronomów. Jedna z czarnych dziur ujawniła się w 2022 roku, kiedy to rozerwała na strzępy, a następnie połknęła gwiazdę, która zawędrowała zbyt blisko. Inna została opisana jako najszybciej rosnąca czarna dziura, jaką kiedykolwiek zaobserwowano, która pochłania w każdej sekundzie masę odpowiadającą jednej Ziemi. W rezultacie jest już trzy miliardy razy masywniejsza od naszego Słońca.
Kosmiczne malizny
Profesor Mapelli bada gwiazdowe czarne dziury, które powstają, gdy duża, szybko spalająca się gwiazda zapada się w sobie. W porównaniu z supermasywnymi obiektami tego typu, te czarne dziury to kosmiczne malizny. Astronomowie spodziewali się, że takie czarne dziury mają od pięciu do dziesięciu razy większą masę niż nasze Słońce. Prawda jest taka, że tego typu obiekty występują w znacznie szerszym zakresie rozmiarów. W ostatnich latach odkryto takie, które mają masę około stu mas Słońca, a także jedną tak małą jak 2,6 masy Słońca.
Jeden z systemów, który intryguje prof. Mapelli, znany jest jako podwójna czarna dziura. Może się ona wytworzyć, gdy dwie gwiazdy, które orbitują wokół siebie, zakończą swoje życie jako czarne dziury. Z drugiej strony może istnieć wiele innych sposobów tworzenia się podwójnych czarnych dziur – to jest coś, co prof. Mapelli bada w ramach projektu DEMOBLACK. Siedem lat temu większość badaczy była sceptycznie nastawiona do istnienia podwójnych czarnych dziur – powiedziała. Nawet teoretycy nie byli przekonani co do ich istnienia.
Jednak jak dotąd odkryto już ponad sto takich obiektów. Emitują one fale grawitacyjne – fale w czasoprzestrzeni możliwe do wykrycia przez zaawansowane detektory: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) w USA (dwie identyczne instalacje – jedna w Hanford w stanie Waszyngton, druga w Livingston w stanie Luizjana) i włoski interferometr Virgo niedaleko Pizy. Według prof. Mapelli większość astrofizyków wątpiła, czy dwie czarne dziury mogą zbliżyć się do siebie na tyle, by się połączyć, ale wtedy fale grawitacyjne zaczęły sygnalizować zderzenie czarnych dziur. Jedna z takich fuzji miała miejsce w 2019 roku między czarnymi dziurami o masach od 60 do 80 mas Słońca. Nie wiadomo, czy te czarne dziury powstały bezpośrednio z gwiazd, gdyż założenie, iż czarne dziury powstałe z gwiazd miały od 5 do 10 mas Słońca, zostało teraz obalone.
Galaktyczne potwory
Największe bestie znajdują się w centrum niemal każdej galaktyki. Prawie wszystkie są aktywne, a w ich wnętrzu znajduje się grawitacyjnie wysysany gorący gaz. Niektóre z tych czarnych dziur mają masę nawet dziesięć miliardów razy większą od masy naszego Słońca. To prawdziwe potwory – mówi prof. Christopher Reynolds z Uniwersytetu Cambridge. Ich wpływ na galaktykę może sięgać stu, a nawet dwustu lat świetlnych.
Nawet w tak astronomicznych odległościach gwiazdy i galaktyki nadal odczuwają grawitacyjne przyciąganie tych czarnych dziur. Ale ich wybuchy energii, gdy pochłaniają materię, mogą być wykrywalne nawet z odległości stu tysięcy lat świetlnych lub większej.
W ramach projektu DISKtoHALO prof. Reynolds bada, w jaki sposób supermasywne czarne dziury rosną, zasysają do siebie gorący gaz i generują wybuchy energii na zewnątrz. Astrofizycy nie wiedzą jak dotąd, dlaczego gaz w jądrze niektórych galaktyk jest tak gorący – od 10 do 100 milionów stopni Celsjusza – mimo że układy mają miliardy lat i powinny mieć dużo czasu na ochłodzenie. To, jak czarne dziury oddziałują ze swoim bezpośrednim otoczeniem i odległymi częściami swoich galaktyk, jest złożonym zagadnieniem. Modele komputerowe nie są w stanie pomóc, ponieważ wymaga to wglądu zarówno w stosunkowo małej skali, jak i w ogromnej, mierzonej w latach świetlnych. Mówimy tu o czymś wielkości piłki tenisowej regulującym coś, co jest wielkości Ziemi – wyjaśnia prof. Reynolds.
Jednym ze sposobów poznawania supermasywnych czarnych dziur w centrum gromad galaktyk jest badanie gorących gazów w ich pobliżu. Nie da się ich zobaczyć za pomocą teleskopu, ale ich energię da się zaobserwować dzięki promieniowaniu rentgenowskiemu, które emitują, ponieważ są gorące. I znów – nie wiadomo, dlaczego gorący gaz nie ochładza się i nie łączy w gwiazdy. Potrzebujemy grzejnika, aby wysłać energię do środka gromady, a jedynym wystarczająco mocnym grzejnikiem są supermasywne czarne dziury – wskazuje prof. Reynolds.
Jak to dokładnie działa, nadal pozostaje tajemnicą. Wiadomo jednak, że supermasywne czarne dziury nie żyją spokojnie. Prawdziwa natura czarnych dziur pozostaje niejasna. Wcześniejsze założenia zostały zachwiane. To, czego możemy być pewni, to że czarne dziury nadal będą intrygować nawet najwybitniejsze umysły w astronomii.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
Odcinek Astronarium o supermasywnych czarnych dziurach
Źródło: Horizon
Na ilustracji: Najbardziej wewnętrzny brzeg tego gazowego dysku akreuje na masywną czarną dziurę. Źródło: Michela Mapelli
