Tajemnica czarnych dziur „zombie”

Dzięki monitorowaniu szerokokątnemu nieba naukowcy odkryli, że supermasywne czarne dziury mogą niespodziewanie wyrzucać z siebie ogromne ilości energii i materii. Najbardziej zaskakujące jest, że te wyrzuty pojawiają się wiele miesięcy po wchłonięciu materii gwiezdnej, kiedy czarna dziura wydaje się być „uśpiona”.

Publikacja: 07.02.2024 17:20

Badanie czarnych dziur stanowi jedno z największych wyzwań współczesnej nauki

Badanie czarnych dziur stanowi jedno z największych wyzwań współczesnej nauki

Foto: AdobeStock

Czy czarne dziury mogą „chorować” na „niestrawność”? Takie porównanie do procesów trawiennych jest dobrym sposobem na zobrazowanie odkrytych niedawno przez astronomów zadziwiających mechanizmów tzw. opóźnionych emisji czarnych dziur. Takie zjawiska nagłego „ożywania” supermasywnych czarnych dziur mogą pomóc w wyjaśnieniu powstawania potężnych dżetów kosmicznych i ewolucji wszechświata.

Ale zacznijmy od podstawowego pytania: czym w ogóle są kosmiczne czarne dziury? Już w 1796 roku francuski matematyk Pierre Simon de Laplace ostrzegał w swojej książce „Exposition du Systeme du Monde”, że w kosmosie istnieją przerażające obiekty o niewielkiej objętości i olbrzymiej masie. Ale dopiero w 1916 roku niemiecki fizyk Karl Schwarzschild wyliczył na podstawie równania pola ogólnej teorii względności Einsteina (ogłoszonej rok wcześniej) istnienie tzw. osobliwości, czyli obiektów lub zjawisk, w których przestają działać teoretyczne prawa fizyki newtonowskiej ze względu na nieskończone wyniki. Większość astrofizyków początkowo odrzuciła tę koncepcję, zakładają, że we wszechświecie nie mogą przecież istnieć obiekty grawitacyjne o tak wielkiej masie i gęstości, z których nawet światło nie może uciec. Jednak w 1931 roku indyjski astrofizyk Subrahmanyan Chandrasekhar wyliczył maksymalną masę białego karła, którą dzisiaj nazywany „granicą Chandrasekhara”, po zwiększeniu której następuje nieunikniona zapaść gwiazdy w obiekt o niewyobrażalnej gęstości. Początkowo nie wiedziano nawet jak nazwać takie zjawisko. W niektórych publikacjach używano określenia „czarne gwiazdy”. Jednak słowo gwiazda nie oddawało prawidłowo natury takiej studni grawitacyjnej, która nie odbijała fotonów niczym ciało doskonale czarne. Dopiero pod koniec lat 60. ubiegłego wieku amerykański fizyk, prof. John A. Wheeler wymyślił i upowszechnił nazwę „czarne dziury”. Chociaż i ta nazwa nie jest do końca odpowiadająca naturze tych kosmicznych potworów, które stanowią 1 procent barionowej materii wszechświata. Dzięki badaniom profesora Stevena Hawkinga wiemy, że „czarne dziury” wcale nie są czarne i mają określoną temperaturę związaną z siłą oddziaływania grawitacyjnego na horyzoncie zdarzeń. Z pomocą mechaniki kwantowej Hawking zapoczątkował nową dziedzinę astrofizyki nazwaną termodynamiką czarnych dziur. Zajmuje się ona powiązaniem własności geometrycznych z określonymi własnościami fizycznymi, w tym przede wszystkim temperaturą, energią i entropią.

40 trylionów pułapek grawitacyjnych

Istnienie czarnych dziur, podobnie jak fal grawitacyjnych wynika bezpośrednio z ogólnej teorii względności Einsteina. Stosując najprostszy możliwy opis można powiedzieć, że czarna dziura to po prostu pewien obszar czasoprzestrzeni tak silnie przyciągający materię, że nic się z niej nie może wydostać. Definicja bardziej naukowa jest związana ze wzorem, który Karl Schartzshild ogłosił w 1916 roku. Nie wnikając w szczegóły za czarną dziurę można uznać każdy obiekt, który jest mniejszy niż objętość wynikająca z jego promienia Schwarzschilda. W takim miejscu niektóre prawa fizyki się załamują lub dają nieskończone wyniki. Humorystycznie zobrazował to Steven Gubser, amerykański profesor fizyki na Uniwersytecie Princetone: „zwykło się mówić, że każdy kamień rzucony pod górę musi kiedyś w końcu spaść, ale we wnętrzu czarnej dziury Schwarzschilda tego typu powiedzenie musiałoby brzmieć bardziej kategorycznie, ponieważ tam niczego nie można podrzucić w górę, jedynie w dół”.

Czytaj więcej

Astronomowie zobaczyli "kulę ognia większą 100 razy od Układu Słonecznego"

Innymi słowy, jak podkreśla Gubser, w środku takiego obiektu „czai się straszliwe, nieskończenie ściśnięte jądro materii” od którego nic nie jest w stanie uciec.

W centrum naszej galaktyki znajduje się supermasywna czarna dziura o masie wynoszącej ok. 4 mln mas naszego słońca. Choć niepokoi nas taki współlokator to w całym kosmosie jest to zjawisko dość powszechne, skoro liczba czarnych dziur jest szacowana na ok. 40 trylionów (40 miliardów miliardów). Stanowią one aż 1 procent całej materii barionowej wszechświata.

Naukowcy uważają, że mechanizm ich powstawania jest znacznie bardziej tajemniczy i skomplikowany niż zakłada koncepcja Schwarzschilda. Dzisiaj wiemy, że może on mieć związek z ciemną materią i fizyką wczesnego wszechświata.

Ale skąd w ogóle wiemy o istnieniu czarnych dziur w określonej lokalizacji, skoro nie możemy ich zaobserwować teleskopami? Pierwszym sposobem detekcji jest przyciąganie grawitacyjne, na które wskazuje nietypowe zachowanie materii pobliskich gwiazd. Współczesne modele symulacyjne pozwalają nam nawet zidentyfikować i zlokalizować zderzenia dwóch czarnych dziur.

Kosmiczne „zombie”

Inną metodą pozwalającą na identyfikację czarnych dziur są detekcje skolimowanych strumieni energii plazmowej wyrzucanych prostopadle do dysku akrecyjnego utworzonego z opadającego na czarną dziurę zjonizowanego pyłu i gazu. Takie zjawiska nazywane są dżetami. Mechanizm ich powstawania jest częściowo poznany. Jednak niedawno niepokój naukowców wzbudziły opóźnione emisje z czarnych dziur, które zakończyły już ucztę z pobliskiej gwiazdy. Stosując takie obrazowe porównania kulinarne, można powiedzieć, że „nieuważna” gwiazda, która zapuszcza się zbyt blisko jednej z supermasywnych czarnych dziur (SMBH) czających się w centrach galaktyk, zostaje po prostu rozerwana na strzępy. A w zasadzie czarna dziura wsysa ją jak mocno rozciągnięty makaron. Takie zjawisko „spaghetyzacji” gwiazdy naukowcy nazywają zdarzeniem zakłócenia pływowego (TDE). Żerując na gwiezdnych pozostałościach, czarna dziura zdaje się owijać wokół siebie na dysku akrecyjnym resztki zassanej gwiazdy. Wtedy też powstają dżety. Dlatego podczas takiej „śródziemnomorskiej” uczty supermasywna czarna dziura „świeci” mocniej przez kilka miesięcy. Po „obiedzie” wraca jednak do spokojnego stanu hibernacji. Nie ma powodów by „świecić” i wyrzucać dżety. A jednak ku zaskoczeniu naukowców ciągłe monitorowanie SMBH w ramach programu Zwicky Transient Facilit, czyli szerokokątnej obserwacji nieba przy użyciu nowej kamery przymocowanej do Teleskopu Samuela Oschina w Obserwatorium Palomar w Kalifornii, przyniosło zaskakujące wyniki.

Okryto bowiem kilka przypadków, w których czarne dziury nagle „przebudzają się” z „poobiedniej sjesty” i wyrzucają z siebie materię i energię. Po miesiącach lub nawet latach od takiego wydarzenia, impulsy fal radiowych docierają do naszej planety. „Niezwykłe jest to, że czarne dziury ożywają nagle niczym zombie” – podkreśla Enrico Ramirez-Ruiz, astrofizyk teoretyczny z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz.

Czytaj więcej

Thomas Hertog: Obserwowanie Hawkinga było fascynujące

Co powoduje te opóźnione wybuchy? Tego naukowcy nadal nie wiedzą. Sasza Czekowski, astrofizyk obliczeniowy z Northwestern University zwraca uwagę, że to zjawisko pozwoli na opracowanie fizycznego modelu centralnego silnika czarnej dziury, ponieważ „te dżety mogą eksplodować z niewyobrażalną siłą , więc jest to naprawdę ważny proces w ewolucji galaktyk”.

Czekamy na nowe skanowanie nieba

Dotychczas za pomocą światła optycznego lub promieni rentgenowskich emitowanych podczas początkowej „uczty” zaobserwowano kilkadziesiąt TDE. Igor Andreoni, astronom z Joint Space-Science Institute, uważa jednak, że najważniejszą rolę w zrozumieniu TDE, odgrywa odczyt radiowy. Wyrzucając materię zderzającą się z otaczającym gazem, czarne dziury generują fale radiowe.

Właśnie dzięki temu zjawisku w lutym 2021 roku Assaf Horesh, astrofizyk z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie, odkrył rozbłysk radiowy, który nastąpił 6 miesięcy po pierwszym TDE. Pół roku później Yvette Cendes, astronomka z Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics, poinformowała o wykryciu radiowym kolejnego opóźnionego rozbłysku i gwałtownego wzrostu aktywności radiowej.

Itai Sfaradi, doktorant profesora Horesha, przeanalizował dostrzeżoną wcześniej TDE i ogłosił w The Astrophysical Journal, że odkrył towarzyszący opóźnionej emisji radiowej rozbłysk rentgenowski. Te emisje, które astronomowie nazywają „tandemowymi” są czasami obserwowane w układach podwójnych rentgenowskich, w których czarne dziury wysysają gaz ze sparowanych gwiazd. Przesunięcia w dysku akrecyjnym czarnej dziury powodują rozbłyski rentgenowskich układów podwójnych. Ramirez-Ruiz wskazuje to zjawisko jako przyczynę opóźnionych TDE w supermasywnych czarnych dziurach. Spaghetyzowany gaz gwiazdy gromadzi się z czasem wolniej, przez co dysk akrecyjny staje się zimniejszy i cieńszy. W końcu dysk słabnie na tyle, że otwiera na krótki czas drogę ucieczki, która pozwala wystrzelić materię z dysku w przestrzeń, gdzie zderza się ona z otaczającym gazem i wytwarza rozbłyski radiowe.

Czytaj więcej

Wszechświat ma 13,77 mld lat

Takie wytłumaczenie popiera Czechowski. Jego zespół badawczy przeprowadził komputerowe symulacje ewolucji dysku akrecyjnego i odkrył, że w określonych sytuacjach dżety rzeczywiście mogą się efektywnie formować. Kluczowy moment następuje, gdy dysk akrecyjny jest wciąż wystarczająco gęsty, aby zasilać strumienie, ale nie na tyle gęsty, aby ponownie absorbować wygenerowane fale radiowe.

Zapewne więcej wskazówek pozwalających wyjaśnić to zagadkowe zjawisko nagłego przebudzenia kosmicznych zombie pojawi się, kiedy Very Large Array, kompleks teleskopów w Nowym Meksyku, po raz trzeci przeskanuje niebo, a Australian Square Kilometre Array Pathfinder rozpocznie badanie całego nieba jeszcze w tym roku.

Czy czarne dziury mogą „chorować” na „niestrawność”? Takie porównanie do procesów trawiennych jest dobrym sposobem na zobrazowanie odkrytych niedawno przez astronomów zadziwiających mechanizmów tzw. opóźnionych emisji czarnych dziur. Takie zjawiska nagłego „ożywania” supermasywnych czarnych dziur mogą pomóc w wyjaśnieniu powstawania potężnych dżetów kosmicznych i ewolucji wszechświata.

Ale zacznijmy od podstawowego pytania: czym w ogóle są kosmiczne czarne dziury? Już w 1796 roku francuski matematyk Pierre Simon de Laplace ostrzegał w swojej książce „Exposition du Systeme du Monde”, że w kosmosie istnieją przerażające obiekty o niewielkiej objętości i olbrzymiej masie. Ale dopiero w 1916 roku niemiecki fizyk Karl Schwarzschild wyliczył na podstawie równania pola ogólnej teorii względności Einsteina (ogłoszonej rok wcześniej) istnienie tzw. osobliwości, czyli obiektów lub zjawisk, w których przestają działać teoretyczne prawa fizyki newtonowskiej ze względu na nieskończone wyniki. Większość astrofizyków początkowo odrzuciła tę koncepcję, zakładają, że we wszechświecie nie mogą przecież istnieć obiekty grawitacyjne o tak wielkiej masie i gęstości, z których nawet światło nie może uciec. Jednak w 1931 roku indyjski astrofizyk Subrahmanyan Chandrasekhar wyliczył maksymalną masę białego karła, którą dzisiaj nazywany „granicą Chandrasekhara”, po zwiększeniu której następuje nieunikniona zapaść gwiazdy w obiekt o niewyobrażalnej gęstości. Początkowo nie wiedziano nawet jak nazwać takie zjawisko. W niektórych publikacjach używano określenia „czarne gwiazdy”. Jednak słowo gwiazda nie oddawało prawidłowo natury takiej studni grawitacyjnej, która nie odbijała fotonów niczym ciało doskonale czarne. Dopiero pod koniec lat 60. ubiegłego wieku amerykański fizyk, prof. John A. Wheeler wymyślił i upowszechnił nazwę „czarne dziury”. Chociaż i ta nazwa nie jest do końca odpowiadająca naturze tych kosmicznych potworów, które stanowią 1 procent barionowej materii wszechświata. Dzięki badaniom profesora Stevena Hawkinga wiemy, że „czarne dziury” wcale nie są czarne i mają określoną temperaturę związaną z siłą oddziaływania grawitacyjnego na horyzoncie zdarzeń. Z pomocą mechaniki kwantowej Hawking zapoczątkował nową dziedzinę astrofizyki nazwaną termodynamiką czarnych dziur. Zajmuje się ona powiązaniem własności geometrycznych z określonymi własnościami fizycznymi, w tym przede wszystkim temperaturą, energią i entropią.

2 / 3
artykułów
Czytaj dalej. Kup teraz
Kosmos
Astronomowie odkryli najjaśniejszy obiekt we Wszechświecie
Kosmos
Nowe odkrycie astronomów. Ważne pod kątem szukania życia poza Ziemią
Kosmos
Rosjanin pobił rekord przebywania w kosmosie
Kosmos
Gigantyczna asteroida minie niebawem Ziemię. Może mieć 271 metrów średnicy
Materiał Promocyjny
PR&Media Days 2024 - trendy i wyzwania
Kosmos
Per aspera ad astra!
Kosmos
NASA zmienia plany: Powrót Amerykanów na Księżyc opóźni się