W sercach większości dużych galaktyk znajdują się supermasywne czarne dziury. Naukowcy sądzą, że niektóre z nich mogą być naprawdę ogromne.
W pobliżu centrum Drogi Mlecznej znajduje się olbrzymi obiekt, który astronomowie nazywają Sagittarius A*. Ta supermasywna czarna dziura mogła urosnąć w tandemie z naszą Galaktyką i nie jest wcale jedyna. Naukowcy podejrzewają, że podobne obiekty czają się w sercu niemal wszystkich dużych galaktyk w kosmosie. Niektóre z nich mogą być naprawdę duże.
Czarna dziura w centrum naszej Galaktyki ma masę milion razy większą od Słońca, ale widzimy też inne, które naszym zdaniem mają masę miliardy razy większą od Słońca – wyjaśnia Joseph Simon, dr hab. na Wydziale Nauk Astrofizycznych i Planetarnych CU Boulder.
Astrofizyk poświęcił swoją karierę badaniu zachowań tych trudnych do zaobserwowania obiektów. W niedawno opublikowanej pracy wykorzystał zaawansowane symulacje komputerowe do przewidywania mas największych supermasywnych czarnych dziur we Wszechświecie – pomocna była w tym koncepcja matematyczna znana jako funkcja masy czarnej dziury. Innymi słowy, Simon starał się ustalić, co można by znaleźć, gdyby dało się umieścić każdą z tych czarnych dziur jedną po drugiej na olbrzymiej skali mas?
Jego obliczenia wskazują na to, że miliardy lat temu czarne dziury mogły być średnio znacznie większe niż naukowcy dawniej podejrzewali. Odkrycia takie mogą pomóc w rozwikłaniu jeszcze większą zagadki i wyjaśnieniu sił, które kształtowały obiekty takie jak Sagittarius A*, gdy rosły one jeszcze z małych czarnych dziur do postaci gigantów, którymi są dzisiaj.
Na podstawie wielu różnych źródeł i badań zaczynamy dostrzegać, że we Wszechświecie istniały dość masywne obiekty – od bardzo wczesnych lat jego istnienia – mówi Simon. Swoje odkrycia opublikował 30 maja 2023 roku w czasopiśmie The Astrophysical Journal Letters.
Dla Simona zresztą te dość masywne rzeczy to chleb powszedni. Astrofizyk uczestniczy w drugim projekcie badawczym o nazwie North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav). W ramach tego projektu on oraz setki innych naukowców z USA i Kanady poświęcili 15 lat na badanie zjawiska znanego jako „tło fal grawitacyjnych”. Koncept ten odnosi się do nieustannego przepływu fal grawitacyjnych, które falują w kosmosie prawie nieprzerwanie.
To kosmiczne zaburzenie ma także swoje źródło w supermasywnych czarnych dziurach. Gdy dwie galaktyki zderzają się w przestrzeni kosmicznej, ich centralne czarne dziury mogą również zderzyć się i połączyć. Krążą one wokół siebie w coraz bliższej odległości, aż ostatecznie zderzają, generując fale grawitacyjne, które dosłownie zakrzywiają strukturę Wszechświata.
Aby zrozumieć tło fal grawitacyjnych, naukowcy muszą jednak najpierw wiedzieć, jak bardzo masywne są lub mogą być te supermasywne czarne dziury. Jak powiedział Simon, większe czarne dziury powodują większy "huk" i wytwarzają znacznie silniejsze fale grawitacyjne. Jest tylko jeden problem: mamy naprawdę dobre pomiary mas supermasywnych czarnych dziur dla naszej Galaktyki i galaktyk znajdujących się w jej pobliżu, ale nie mamy takich samych pomiarów dla galaktyk znajdujących się dalej. Możemy tylko zgadywać.
W swoich nowych badaniach Simon postanowił zgadywać w zupełnie nowy sposób.
Najpierw zgromadził informacje dotyczące setek tysięcy galaktyk, w tym niektórych o wieku sięgającym miliardów lat. Następnie wykorzystał te dane do oszacowania przybliżonej masy czarnych dziur występujących w największych galaktykach obecnych we Wszechświecie. Kolejnym krokiem było skorzystanie z zaawansowanych modeli komputerowych do symulacji tła fal grawitacyjnych generowanych przez te galaktyki, obecnie docierających również do Ziemi.
Wyniki osiągnięte przez Simona ujawniają pełen asortyment supermasywnych czarnych dziur we Wszechświecie sprzed około 4 miliardów lat. Simon dostrzegł także coś niezwykłego: wydawałoby się, że miliardy lat temu było o wiele więcej dużych galaktyk we Wszechświecie, niż sugerowały niektóre wcześniejsze badania. Ta obserwacja nie miała większego sensu.
Oczekiwano, że te naprawdę bardzo masywne układy będzie można zobaczyć tylko w pobliskim Wszechświecie – mówi Simon. Wzrost czarnych dziur wymaga czasu.
Tak czy inaczej, jego wyniki uzupełniają rosnącą liczbę dowodów sugerujących, że mogą one nie potrzebować aż tak dużo czasu, jak kiedyś sądzili astrofizycy. Na przykład zespół NANOGrav zaobserwował podobne wskazówki dotyczące olbrzymich czarnych dziur ukrywających się we Wszechświecie miliardy lat temu.
Na razie Simon ma nadzieję na zbadania pełnego zakresu mas czarnych dziur sięgającego jeszcze dalej w czasie – odkrywając wskazówki dotyczące tego, jak powstała Galaktyka Drogi Mlecznej, a ostatecznie nasz Układ Słoneczny.
Zrozumienie zakresu mas czarnych dziur ma kluczowe znaczenie dla niektórych z tych fundamentalnych pytań, ale także dla zrozumienia tego, jak rosną galaktyki i jak ewoluował nasz Wszechświat – podsumowuje astrofizyk.
Więcej informacji:
- Weighing the mysterious black holes lurking at the hearts of galaxies
- Exploring Proxies for the Supermassive Black Hole Mass Function: Implications for Pulsar Timing Arrays
Źródło: University of Colorado Boulder
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Na ilustracji: Obraz Sagittarius A* uzyskany przy użyciu Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (EHT). Źródło: Współpraca EHT
