Taniec czarnych dziur

Dwie czarne dziury (SMBH) o łącznej masie 15 miliardów Słońc są tak ogromne, że ich okres orbitalny wynosi 24 tys. lat. Naukowcy od dekady je obserwują i nadal nie są w stanie zarejestrować zakrzywienia orbity tych obiektów.

– Jeśli wyobrazimy sobie ślimaka poruszającego się z prędkością 1 cm/s na planecie odległej o 4,243 roku świetlnego od Ziemi, to właśnie o takim ruchu tu mówimy – twierdzi członek zespołu badawczego, prof. Roger W. Romani z Uniwersytetu Stanforda.

Po raz pierwszy krążenie supermasywnych czarnych dziur zauważyli i zmierzyli astronomowie z Uniwersytetu w Nowym Meksyku (UNM), Obserwatorium Marynarki Wojennej USA oraz Obserwatorium Gemini wraz z prof. Gregiem Taylorem oraz współpracownikami ze Stanfordu. Wyniki obserwacji ukazały się w czasopiśmie „The Astrophysical Journal". Głównym autorem artykułu „Contraining the Orbit of the Supermassive Black Hole Binary 0402+379" jest Karishma Bansal, doktorant na Wydziale Fizyki i Astronomii na UNM.

– Przez długi czas spoglądaliśmy w przestrzeń kosmiczną w poszukiwaniu par supermasywnych czarnych dziur krążących wokół siebie – mówi Taylor. To prawdopodobnie skutek łączenia się dwóch galaktyk. Nigdy wcześniej nie udało się tego zaobserwować i wielu naukowców twierdziło, że to zjawisko nie istnieje.

Do obecnego odkrycia posłużył system VLBA (Very Long Baseline Array). Składa się on z dziesięciu radioteleskopów rozmieszczonych w USA i zarządzanych z Socorro w Nowym Meksyku. Badacze mogli zaobserwować kilka częstotliwości sygnałów radiowych emitowanych spod adresu 0402+379 przez supermasywne czarne dziury. Dzięki niezwykle precyzyjnym obliczeniom astronomowie byli w stanie odtworzyć trajektorię obu obiektów i potwierdzić, że są od siebie zależne – to para obiektów, która porusza się po pewnej orbicie.

Niezwykła precyzja

– Dzięki materiałom obejmującym okres od 2003 r. można było odtworzyć ruch czarnych dziur – mówi Bansal. – Połączyliśmy wszystkie dane i wtedy doszliśmy do wniosku, oba obiekty okrążają się wzajemnie. To naprawdę bardzo ekscytujące.

Greg Taylor jest mistrzem precyzji. Prawdopodobnie dzięki jego skrupulatności udało się dokonać tego odkrycia. To ponad 20 lat pracy skoncentrowanej na pomiarach. Twierdzi, że choć para czarnych dziur leży bardzo daleko, 750 milionów lat świetlnych od Układu Słonecznego w galaktyce 0402+379, to ich ustawienie względem Ziemi umożliwia dogodną obserwację.

– Badanie orbit podwójnych gwiazd pozwoliło nam na znaczne powiększenie zasobów wiedzy o gwiazdach – mówi Bob Zavala, astronom z Obserwatorium Marynarki Wojennej USA. – Teraz będziemy w stanie wykorzystać podobne techniki do zrozumienia supermasywnych czarnych dziur i galaktyk, w których się znajdują.

Zavala uważa również, że kontynuacja tych badań może pomóc nam lepiej zrozumieć, w jaki sposób będzie ewoluowała również nasza galaktyka. Przecina ją trasa ruchu innej galaktyki w Andromedzie. Kolizja za kilka miliardów lat wydaje się nieunikniona. Wówczas procesy podobne do właśnie obserwowanych będą mogły przebiegać również na naszym podwórku.

Supermasywne czarne dziury mają też intensywny wpływ na znajdujące się w ich otoczeniu gwiazdy. Zmieniają macierzyste galaktyki – opowiada Taylor. – Dlatego też lepsza wiedza o nich pozwoli nam lepiej zrozumieć, co się dzieje, gdy takie obiekty się ze sobą spotkają.

Bansal zapowiada kolejne badania. Zespół ma powtórzyć obserwacje i analizy pary czarnych dziur za trzy–cztery lata. Naukowcy chcą potwierdzić odkrycie i sprawdzić, czy ruch obiektów będzie zgodny z tym, co zaobserwowali.

Zmarszczki i dziury

To drugie już od 2016 r. przełomowe odkrycie w dziedzinie badania kosmosu, w którym brali udział badacze z UNM. W ubiegłym roku, współpracując w projekcie LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observator), dzięki superczułym detektorom, wykryli fale grawitacyjne. Istnienie zmarszczek czasoprzestrzeni zapowiedział sto lat temu Albert Einstein, ale nikt wówczas nie dawał temu wiary, a teraz mamy dowody na ich istnienie.

Pochodzenie fal grawitacyjnych ściśle łączy się z obecnym odkryciem. Na początku czerwca 2017 r. po raz trzeci zakomunikowano o zarejestrowaniu fal grawitacyjnych wyemitowanych w procesie łączenia się dwóch czarnych dziur.

Astronomowie jednak nie są zgodni co do tego, w jaki sposób powstają takie pary. Jedna z hipotez mówi, że czarne dziury powstają niezależnie od siebie i z czasem zbliżają się, po czym zaczynają orbitować wokół wspólnego środka. Inna hipoteza mówi, że dwie masywne gwiazdy krążące w układzie podwójnym eksplodują jako supernowe i pozostawiają po sobie czarne dziury. Holenderscy badacze Ed van den Heuvel (UA), Simon Portegies Zwart (UL) oraz Selma de Mink (UA) twierdzą, że ta druga teoria jest dużo bardziej prawdopodobna, niż dotychczas uważano.

Pasożytnicza gwiazda

Ed van den Heuvel był jednym z pierwszych astronomów, który już w 1972 r. obserwował supermasywne podwójne gwiazdy. Twierdzi, że jeśli obliczenia są prawidłowe, podwójne czarne dziury o masie 15 do 30 mas Słońca powstają częściej, niż oczekiwaliśmy. Według najnowszych obliczeń w naszej galaktyce czarna dziura powstaje raz na 100 000 lat i jest to dziesięć razy częściej, niż przypuszczano.

– Gdy masywniejsza z dwóch gwiazd zapada się i przeobraża w czarną dziurę, mamy do czynienia ze stabilną sytuacją, w której druga gwiazda może przetrwać bardzo długo, zanim zamieni się w drugą czarną dziurę – twierdzi astrofizyk prof. Simon Portegies Zwart z Uniwersytetu w Leiden. – W międzyczasie pierwsza będzie zasysała sporo materii ze swojego towarzysza, jednocześnie wyrzucając sporą jej część w postaci dżetów (skolimowanych strumieni plazmowych materii). Takie uwolnienie masy powoduje znaczne skurczenie się odległości między obiektami, które z czasem połączą się ze sobą.

Dotąd uważano, że układy podwójne prawie zawsze ostatecznie łączą się w jedną dużą gwiazdę, która następnie zamienia się w czarną dziurę, a tylko w ekstremalnych przypadkach mogą powstawać podwójne obiekty – twierdzi Van den Heuvel. – Teraz udało nam się wykazać, że proces ten nie wymaga jakichś szczególnych warunków. ©?