Najpotężniejsze zderzenie czarnych dziur w historii. Naukowcy zaskoczeni skalą zjawiska

Spis treści:

1. Nowe odkrycie z LIGO burzy wiedzę o masie czarnych dziur
2. Czarne dziury z „zakazanego” przedziału masy coraz częstsze
3. Nowy typ czarnych dziur burzy ustalony porządek
4. Brakujące ogniwo – czarne dziury średniej masy
5. Skąd się biorą czarne dziury pośredniej wielkości?
6. Zawrotne tempo obrotu może być kluczem
7. Nowe detektory pomogą odkrywać jeszcze większe czarne dziury
8. Nowe teleskopy i podróż w czasie do narodzin galaktyk

Czarne dziury od lat fascynują naukowców i miłośników kosmosu. Choć ich istnienie potwierdzono już dekady temu, wciąż pozostają jednymi z najbardziej zagadkowych obiektów we Wszechświecie. Pytanie, jak duże mogą być czarne dziury, to nie tylko kwestia naukowej ciekawości – to również próba zrozumienia fundamentalnych praw rządzących czasoprzestrzenią. Dzięki nowoczesnym technologiom i obserwacjom z wykorzystaniem detektorów fal grawitacyjnych, badacze odkrywają czarne dziury o masie tak ogromnej, że zdają się przeczyć dotychczasowym teoriom. Granice ich wzrostu okazują się znacznie bardziej elastyczne, niż wcześniej sądzono.

Nowe odkrycie z LIGO burzy wiedzę o masie czarnych dziur

Para nowo odkrytych, rekordowo masywnych czarnych dziur jednocześnie wprawiła naukowców w euforię i konsternację. Ten niezwykły duet to największe obiekty tego typu, jakie kiedykolwiek zarejestrowano przy użyciu detektora LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) – urządzenia stworzonego do wykrywania fal grawitacyjnych, czyli zmarszczek w czasoprzestrzeni powstających w wyniku zderzeń masywnych ciał niebieskich.

Rozmiary tych kolosalnych czarnych dziur wykraczają poza dotychczasowe modele teoretyczne, zmuszając astrofizyków do przemyślenia, jak mogło dojść do ich aż tak intensywnego wzrostu. – Nie sądzimy, by czarne dziury powstawały w zakresie od około 60 do 130 mas Słońca, a te dwie znajdują się dokładnie w środku tego przedziału – wyjaśnia Mark Hannam, fizyk z Uniwersytetu w Cardiff w Wielkiej Brytanii i członek zespołu LIGO.

Zwyczajna czarna dziura powstaje podczas śmierci masywnej gwiazdy, gdy jej jądro zapada się pod wpływem własnej masy, tworząc punkt o tak potężnej grawitacji, że nie może się z niego wydostać nawet światło. Jednak w przypadku wyjątkowo ogromnych gwiazd fizyka tego procesu zaczyna się komplikować. Gdy masa jądra przekracza około 60 mas Słońca, zapadanie się staje się tak gwałtowne, że cała gwiazda ulega rozerwaniu, nie pozostawiając po sobie nic – nawet czarnej dziury.

Czarne dziury z „zakazanego” przedziału masy coraz częstsze

A jednak obserwatorium LIGO coraz częściej wykrywa czarne dziury mieszczące się w tym „niedozwolonym” zakresie masy, w tym także najnowsze kolosy. Zgodnie z pracą opublikowaną 13 lipca na arXiv.org, szacuje się, że ich masy wynoszą odpowiednio 103 i 137 mas Słońca. Co istotne, margines błędu w pomiarach jest na tyle duży, że obie czarne dziury mogą faktycznie znajdować się w samym środku teoretycznie zabronionego przedziału.

Gdy miliardy lat temu zderzyły się w mrokach odległego Wszechświata, powstał z nich jeszcze większy potwór – czarna dziura o masie od 190 do 265 Słońc. To najmasywniejszy obiekt, jaki LIGO kiedykolwiek zarejestrowało. Z każdą kolejną obserwacją fal grawitacyjnych pochodzących z takich zdarzeń, naukowcy zbliżają się do rozwikłania zagadki ich pochodzenia. Być może te tajemnicze obiekty mają coś wspólnego z oszałamiająco wielkimi czarnymi dziurami znajdującymi się w centrach galaktyk.

Nowy typ czarnych dziur burzy ustalony porządek

Przez długi czas uważano, że czarne dziury występują tylko w dwóch „wersjach”. Pierwsza to te o masie zbliżonej do Słońca – od kilku do kilkudziesięciu mas słonecznych. To właśnie ich najwięcej wykryło dotąd obserwatorium LIGO. Powstają one zazwyczaj, gdy masywna gwiazda kończy życie jako supernowa, pozostawiając po sobie ekstremalnie gęsty obiekt, który pochłania wszystko, co zbliży się za bardzo.

Drugim typem są supermasywne czarne dziury – prawdziwe potwory znajdujące się w centrach niemal każdej galaktyki. Ich masa może przekraczać 100 milionów Słońc, a ich obecność wpływa na procesy powstawania gwiazd. Problem w tym, że naukowcy wciąż nie wiedzą, jak te giganty urosły do tak niewyobrażalnych rozmiarów. Czy zaczynały jako zwykłe czarne dziury i z czasem rosły? A może ich powstanie to zupełnie inna historia?

Brakujące ogniwo – czarne dziury średniej masy

Pojawiła się hipoteza, że istnieje trzeci typ czarnych dziur – o masie pośredniej, od około 100 do 100 000 mas Słońca. Mogłyby one stanowić brakujące ogniwo pomiędzy małymi a supermasywnymi. Przez lata jednak nie udało się zaobserwować takiego obiektu. Dopiero w 2020 roku zespół LIGO ogłosił, że wykrył zderzenie dwóch czarnych dziur o masach 66 i 85 Słońc, z którego powstała nowa czarna dziura o masie około 150 Słońc. To odkrycie po raz pierwszy udowodniło, że czarne dziury mogą przekraczać próg masy pośredniej. Wciąż jednak trwają spory, jak do tego doszło.

Problem polega na tym, że gdy jądro ogromnej gwiazdy osiąga masę między 60 a 130 masami Słońca, końcowe etapy jej życia prowadzą do temperatury rzędu 300 milionów stopni Celsjusza. W takich warunkach fotony przekształcają się w elektrony i pozytony, co destabilizuje gwiazdę. Zewnętrzne warstwy zapadają się z taką siłą, że jądro zostaje całkowicie zniszczone – nie powstaje żadna czarna dziura.

Skąd się biorą czarne dziury pośredniej wielkości?

Fizycy rozważają kilka możliwych scenariuszy. Być może ich modele ewolucji gwiazd są niekompletne – i wbrew dotychczasowym założeniom, coś może przetrwać zapadnięcie się jądra ogromnej gwiazdy. Alternatywnie, mniejsze czarne dziury mogłyby łączyć się lub rosnąć, pochłaniając gaz i pył, by osiągnąć masy pośrednie – taką teorię wspiera astrofizyczka Priyamvada Natarajan z Uniwersytetu Yale.

Według niej, możliwe są dwa scenariusze: dwie gwiezdne czarne dziury zderzyły się i połączyły, tworząc większy obiekt, albo mniejsza czarna dziura stopniowo pochłaniała otaczającą materię, aż rozrosła się do kolosalnych rozmiarów. – Pytanie brzmi: w jakich warunkach kosmicznych może dojść do takich procesów? – zastanawia się Priyamvada Natarajan.

Zawrotne tempo obrotu może być kluczem

Jedną z największych wskazówek mogą być dwa nowo odkryte obiekty, które obracają się niemal z maksymalną możliwą prędkością. To najszybciej wirujące czarne dziury, jakie kiedykolwiek zarejestrowało LIGO. Część naukowców uważa, że takie rotacje mogą być efektem wcześniejszych zderzeń mniejszych czarnych dziur, które wzajemnie się „nakręcały”.

Natarajan jednak sugeruje, że zaobserwowane zjawiska mogą mieć inne źródło. Jeżeli czarne dziury przed zderzeniem obracały się w przeciwnych kierunkach (co jest całkiem możliwe), nowy obiekt po fuzji powinien obracać się wolniej. Skoro tak się nie stało, naukowczyni zakłada, że czarne dziury powstały w gęstych skupiskach gwiazd, pełnych gazu i pyłu. Tam mogły rosnąć, wchłaniając materię jak woda w odpływie, osiągając przy tym nie tylko dużą masę, ale i ekstremalne tempo obrotu. Jej zespół właśnie pracuje nad obliczeniami, które mają potwierdzić ten scenariusz.

Nowe detektory pomogą odkrywać jeszcze większe czarne dziury

Naukowcy nie kończą poszukiwań gigantycznych czarnych dziur. Kolejne modernizacje detektorów LIGO sprawią, że staną się one jeszcze bardziej czułe, co umożliwi wykrywanie jeszcze masywniejszych czarnych dziur oraz precyzyjniejsze pomiary ich właściwości.

W połączeniu z detektorami fal grawitacyjnych w Europie, Japonii i w przyszłości również w Indiach, badacze będą w stanie dokładniej lokalizować zjawiska zderzeń czarnych dziur na nocnym niebie. Dzięki temu teleskopy będą mogły kierować swoje obiektywy w konkretne miejsca i sprawdzać np., czy znajdują się tam gęste skupiska gwiazd, które mogłyby sprzyjać jednemu z mechanizmów ich powstawania.

Nowe teleskopy i podróż w czasie do narodzin galaktyk

Naukowcy z niecierpliwością wyczekują również uruchomienia nowych instrumentów, takich jak Cosmic Explorer czy Einstein Telescope, które mają rozpocząć pracę w połowie lat 30. lub 40. XXI wieku. Będą one w stanie rejestrować zderzenia czarnych dziur, które miały miejsce we wczesnym Wszechświecie, w czasach, gdy dopiero formowały się pierwsze galaktyki.

Tak zaawansowane obserwatoria fal grawitacyjnych mogą rzucić nowe światło na to, jak centralne czarne dziury w galaktykach urosły do gigantycznych rozmiarów, a także dostarczyć lepszych danych na temat mniejszych i pośrednich czarnych dziur. – We Wszechświecie jest po prostu mnóstwo czarnych dziur – mówi Priyamvada Natarajan. – Fakt, że zaczynamy łączyć ze sobą różne skale ich wielkości, jest moim zdaniem niezwykle ekscytujący.

Źródło: NASA, National Geographic, arXiv.org