Ta czarna dziura emituje bilion razy więcej energii niż Gwiazda Śmierci
Od czterech lat czarna dziura AT2018hyz „trawi” pozostałości rozerwanej gwiazdy i emituje niewiarygodnie silny strumień energii. Badacze z University of Oregon twierdzą, że to jedno z najpotężniejszych zjawisk we Wszechświecie, a jego siła wciąż rośnie!
W 2018 roku astrofizyczka Yvette Cendes, wówczas jeszcze jako badaczka na Harvardzie, po raz pierwszy zetknęła się z obiektem AT2018hyz. Początkowo uznano to za „najnudniejsze zjawisko” – typowy przykład tzw. zdarzenia rozerwania pływowego (tidal disruption event), w którym czarna dziura rozrywa gwiazdę, przyciągając ją swoją ogromną grawitacją. Ten proces to tzw. spaghettifikacja. Jednak już po kilku latach wszystko się zmieniło. Czarna dziura zaczęła emitować intensywny strumień promieniowania radiowego, co zaskoczyło badaczy. Zjawisko nazwano „kosmiczną niestrawnością”, a naukowcy zauważyli, że energia wciąż rośnie. Energia większa niż w Gwieździe Śmierci Od momentu, gdy czarna dziura AT2018hyz zaczęła emitować silne promieniowanie radiowe, jego intensywność wzrosła pięćdziesięciokrotnie w porównaniu do poziomu z 2019 roku. Obiekt wysyła jeden skoncentrowany strumień energii – tzw. jet – który prawdopodobnie nie był początkowo skierowany w stronę Ziemi. To może tłumaczyć, dlaczego przez lata pozostawał niezauważony. Dziura emituje też światło widzialne, ale bardzo słabe. <img src="https://images.immediate.co.uk/production/volatile/sites/63/2024/08/gdy-gwiazda-zblizyla-sie-do-czarnej-dziury-zostala-przez-nia-pozarta-fot-eso-m-kornmesser-0b598ab.jpeg" width="938" height="528" alt="Gdy gwiazda zbliżyła się do czarnej dziury, została przez nią "pożarta" (fot. ESO/M. Kornmesser)" title="Gdy gwiazda zbliżyła się do czarnej dziury, została przez nią "pożarta" (fot. ESO/M. Kornmesser)" /> Według obliczeń zespołu badaczy z University of Oregon, moc emisji z czarnej dziury może być co najmniej bilion razy większa niż ta generowana przez fikcyjną Gwiazdę Śmierci z „Gwiezdnych wojen”. A być może jest nawet 100 bilionów razy większa! Jak doszło do odkrycia czarnej dziury AT2018hyz? Yvette Cendes, która obecnie pracuje na University of Oregon postanowiła kontynuować obserwacje obiektu, którego emisja niespodziewanie wzrosła po kilku latach od rozerwania gwiazdy. W 2022 roku opublikowała pierwsze wyniki badań. Wówczas badacze twierdzili, że po rozerwaniu i połknięciu gwiazdy czarna dziura „beknęła”. Najnowszy artykuł, zawierający jeszcze bardziej sensacyjne dane, ukazał się 5 lutego 2026 roku na łamach czasopisma naukowego „Astrophysical Journal”. Naukowcy ustalili, że AT2018hyz nie przestała „trawić” pozostałości gwiazdy, lecz robi to w sposób wyjątkowy, stale zwiększając poziom emisji. To nietypowe, ponieważ takie zjawiska zazwyczaj zanikają w krótkim czasie po początkowym wybuchu. Aby dokładnie przeanalizować zjawisko, zespół Yvette Cendes wykorzystał dane zebrane przez czułe teleskopy radiowe zlokalizowane w Nowym Meksyku (Very Large Array) oraz w Południowej Afryce. To dzięki nim udało się zarejestrować wyjątkowo silne promieniowanie radiowe emitowane przez czarną dziurę. Maksimum emisji w 2027 roku Według prognoz zespołu z University of Oregon, emisja promieniowania z AT2018hyz będzie nadal narastać, osiągając szczyt w 2027 roku. Naukowcy wciąż prowadzą regularne obserwacje, aby zweryfikować te przewidywania. Yvette Cendes zaznacza, że tego rodzaju emisje mogły być wcześniej pomijane, ponieważ nikt nie spodziewał się tak późnych „wybuchów” po pierwotnym zdarzeniu. Teraz, mając świadomość, że podobne przypadki mogą istnieć, badacze planują uważniej analizować dane z teleskopów. Ta czarna dziura może być jednym z najjaśniejszych i najbardziej energetycznych zjawisk, jakie kiedykolwiek zaobserwowano we Wszechświecie. Porównują to nawet do tzw. rozbłysków gamma, czyli zjawisk towarzyszących eksplozjom supernowych i hipernowych. Badania nad nią zmieniają nasze rozumienie procesów zachodzących w kosmosie i pokazują, jak wiele jeszcze możemy odkryć. Źródło: Astrophysical Journal
Ma masę miliona Słońc i czarną dziurę w sercu. Nowo odkryty ciemny obiekt należy do nieznanej wcześniej klasy
11 miliardów lat świetlnych od nas znajduje się nie stwierdzona nigdy wcześniej struktura. Całkowicie ciemne i tajemnicze ciało o masie miliona Słońc i z możliwą czarną dziurą w centrum, zostało odkryte w 2025 roku tylko dzięki swojemu grawitacyjnemu oddziaływaniu. Do badań zaprzęgnięto Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, który przyjrzy się tajemniczemu obiektowi w podczerwieni.
W ubiegłym roku astronomowie zaobserwowali potężne zakłócenie grawitacyjne wynikające z obecności nieznanej struktury. Zakłócenie odkryto w tzw. układzie soczewkowania grawitacyjnego o sygnaturze JVAS B1938+666. Obiekt jest teraz pod intensywną obserwacją astronomów. Soczewkowanie grawitacyjne a ogólna teoria względności Przypomnijmy: soczewkowanie grawitacyjne jest zjawiskiem przewidzianym przez ogólną teorię względności opublikowaną przez Alberta Einsteina w 1915 roku. Zjawisko to zachodzi, gdy światło z obiektu znajdującego się w tle przechodzi przez obszar zakrzywienia czasoprzestrzennego wywołanego przez masywny obiekt na pierwszym planie. Soczewka grawitacyjna sprawia, że prosta linia światła staje się zakrzywiona. Zjawisko to pozwala nie tylko zobaczyć odległe obiekty, ale także ocenić, jak rozłożona jest masa samym układzie soczewkującym. Opisywana soczewka grawitacyjna JVAS B1938+666 składa się z masywnych ciał znajdujących się w odległościach od 6,5 do 11 miliardów lat świetlnych oraz z opisywanej tajemniczej ciemnej struktury, będącej najodleglejszym elementem. Aby dowiedzieć się więcej o soczewce, astronomowie spróbowali odtworzyć rozkład masy w tym obiekcie, ustalając tak zwany „profil gęstości”. Czarna dziura, czy ciemna materia? – Próba rozróżnienia składników masy tak odległego, niskomasywnego obiektu za pomocą soczewkowania grawitacyjnego była niezwykle trudna, ale jednocześnie niesamowicie ekscytująca – napisała w oświadczeniu kierująca zespołem specjalistka ds. soczewkowania grawitacyjnego z Max Planck Institute for Astrophysics w Niemczech, dr Simona Vegetti. – Za każdym razem, gdy myślałam, że już w pełni zrozumieliśmy ten fascynujący układ, pojawiała się kolejna niespodzianka. Właśnie ta kombinacja trudności oraz tajemniczości sprawia, że ten obiekt jest tak fascynujący – dodała badaczka. Prowadzona przez dr Vegetti grupa porównała dane zebrane przez szereg teleskopów, w tym przez Green Bank Telescope, z różnymi modelami ciemnej materii. Okazało się, że żaden z tych modeli nie potrafi wyjaśnić charakteru tajemniczego obiektu. – Wiemy, że obiekt jest szczególnie gęsty w centrum, ale jednocześnie rozciąga się na ogromną odległość. Innymi słowy masa nie jest rozłożona jednorodnie. To tak, jakby w centrum znajdował się niezwykle zwarty obiekt, ale profil gęstości dalej rozciągał się na odległości znacznie większe niż te, które typowo obserwujemy w galaktykach lub układach gwiezdnych o porównywalnej masie – powiedział dr Davide Massari z włoskiego Narodowego Instytutu Astrofizyki. Karzeł mniejszy niż wszystkie? Dotychczasowe badania tej tajemniczej struktury opierały się na teleskopach radiowych. Jednak, aby rozwikłać zagadkę, konieczne będą potężne możliwości prowadzenia obserwacji w podczerwieni Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST). – Gdyby udało się nam zaobserwować jakiś rodzaj emisji światła w zakresie widzialnym lub podczerwonym, moglibyśmy uznać, że struktura ta jest np. nieco anomalną ultrakompaktową galaktyką karłowatą z nietypowo rozległą otoczką gwiazdową. Jeśli jednak nawet JWST nie dostrzeże żadnego światła gwiazd ani innej widzialnej materii, oznaczałoby to, że mamy do czynienia z obiektem, którego własności trudno wyjaśnić przy użyciu obecnych modeli ciemnej materii – podsumowała dr Cristiana Spingola z Narodowego Instytutu Astrofizyki. Źródło: Nature Astronomy Nasza autorka Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.
Co się stanie, gdy przez twoje ciało przeleci mikroskopijna czarna dziura? Fizycy już wiedzą
Mikroskopijna czarna dziura przelatująca przez ciało człowieka brzmi jak motyw z horroru science fiction. Okazuje się jednak, że nawet taki obiekt nie musi być groźniejszy niż pocisk. Fizycy obliczyli, co dokładnie stałoby się w takim scenariuszu – i czy mamy się czego obawiać.
Przywykliśmy myśleć o czarnych dziurach jako o największych i najpotężniejszych obiektach we Wszechświecie. Jednak zgodnie z ogólną teorią względności Alberta Einsteina, do ich powstania niezbędne jest nagromadzenie dostatecznie dużej masy w odpowiednio małej objętości. Może to być objętość wyrażana nawet w pikometrach (jedna bilionowa metra). Temu, co by się stało, gdyby taka mikro-czarna dziura przeleciała przez ludzkie ciało, przyjrzał się Robert Scherrer, fizyk z Uniwersytetu Vanderbilta. Science fiction a rzeczywistość W 1974 roku w magazynie „Analog Science Fiction/Science Fact” ukazało się opowiadanie Larry’ego Nivena zatytułowane „The Hole Man”. Opowiada o zespole odkrywców i naukowców pracujących na Marsie. Bohaterowie odnajdują bazę Obcych, w której znajduje się wciąż działające urządzenie, prawdopodobnie służące do komunikacji poprzez oscylację fal grawitacyjnych. Jeden z naukowców sądzi, że wewnątrz urządzenia znajduje się mikroskopijna czarna dziura, lecz jego przełożony mu nie wierzy i szydzi z niego przy każdej okazji. Dochodzi do gwałtownej sprzeczki, w trakcie której przełożony wyłącza pole utrzymujące czarną dziurę, tym samym uwalniając ją. Ta spada prosto przez ciało przełożonego, raniąc go śmiertelnie wskutek sił pływowych i niezwykle małego „tunelu”, jaki czarna dziura tworzy w ciele, spadając w kierunku środka planety. Czarna dziura łagodniejsza niż pocisk z karabinu? Czy naprawdę mikroskopijna czarna dziura może zabić człowieka? Według nowych obliczeń Roberta Scherrera, fizyka z Uniwersytetu Vanderbilta, nawet czarna dziura o masie 100 miliardów ton wyrządziłaby mniej szkód niż pocisk kalibru 22. Najgorszy efekt wynikałby nie z samego obiektu, lecz z fali uderzeniowej, jaką wywoła przelot przez tkanki – podobnie jak ma to miejsce w przypadku strzału z broni palnej. Tylko skąd wziąć mikroskopijną czarną dziurę i jak mają się do tego tzw. pierwotne czarne dziury? Te mogły powstać jedynie z bardzo dużych zagęszczeń materii w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu. Jak duże mogłyby być takie obiekty, czy mogłyby uderzyć w człowieka i jakie byłyby skutki? Ułamek średnicy atomu, ogromna masa Z obliczeń Scherrera wynika, że minimalna masa pierwotnej czarnej dziury, która mogłaby spowodować istotne obrażenia przy przelocie przez ciało, to około 140 miliardów ton. Mimo tak ogromnej masy, jej rozmiar byłby mikroskopijny – tzw. średnica Schwarzschilda wynosiłaby zaledwie 0,4 pikometra. Aby lepiej zrozumieć tę wielkość dodajmy, że średnica atomu wodoru to ok. 106 pikometrów. Zakładając, że taka mikro-czarna dziura przemieszczałaby się z prędkością około 200 km/s, nie wchodziłaby w silną interakcję z otaczającą tkanką. Fala uderzeniowa wywołana jej przelotem byłaby jednak porównywalna do fali od pocisku kalibru 22. Ale czarna dziura wywiera również siły pływowe, które są silniejsze przy bliższej stronie obiektu, a słabsze po dalszej. To właśnie te różnice prowadzą do rozciągania materii, czyli tzw. spaghettifikacji. Na poziomie ciała człowieka siły te są zwykle zbyt słabe, bo oddziaływania atomowe dominują nad grawitacją. Możemy spać spokojnie Wiemy już, że mająca masę 140 miliardów ton czarna dziura nie byłaby dla nas zbyt straszna. Zatem jak masywna musiałaby być, by realnie uszkodzić ludzkie ciało? Według wyliczeń Scherrera, aby czarna dziura mogła uszkodzić ludzkie tkanki siłami pływowymi, musiałaby mieć masę co najmniej 7 trylionów ton – porównywalną z masą planetoidy Iris. Dopiero wtedy jej grawitacja mogłaby uszkodzić najbardziej wrażliwe tkanki, np. mózg. Fala uderzeniowa wynikająca z przelotu takiej czarnej dziury wyrządziłaby znaczne szkody. Czy w takim razie mamy się czego bać? Robert Scherrer wyliczył, że prawdopodobieństwo trafienia człowieka przez taką czarną dziurę to ok. raz na kwintylion lat – czyli o wiele rzadsze niż cały dotychczasowy wiek Wszechświata (13,8 mld lat). Możemy spać spokojnie. Źródło: Science Alert Nasza autorka Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.
Czy w pobliżu czarnej dziury w centrum naszej Galaktyki może rozwijać się zaawansowana cywilizacja?
W granicach znanej fizyki możliwe jest, że zaawansowana cywilizacja osiedli się w pobliżu supermasywnej czarnej dziury, by wykorzystać spowolnienie czasu. Potrzebuje do tego energii całej gwiazdy. Przy tym spowolnieniu dla obserwatorów zewnętrznych cywilizacja byłaby niedostrzegalna, a wysyłane przez nią sygnały mogłyby przypominać szybkie rozbłyski radiowe.
Spis treści: Poszukiwanie pozaziemskiej inteligencji Imperia galaktyczne i paradoks Fermiego Życie na sferze Dysona Przyspieszenie i spowolnienie czasu Szybkie rozbłyski radiowe „Gdzie oni są?”. Takie pytanie postawił w 1950 roku genialny Enrico Fermi, fizyk, noblista i członek Projektu Manhattan. Odnosił się tym samym do obcych cywilizacji, które, patrząc na wielkość Wszechświata, powinny pojawiać się regularnie. Mimo to nie znaleźliśmy wciąż ich śladów. Poszukiwanie pozaziemskiej inteligencji Poszukiwanie pozaziemskich cywilizacji jest tematem wielu rozważań, również czysto matematycznych. W latach 60. ubiegłego wieku astronom i astrofizyk, założyciel programu poszukiwania inteligencji pozaziemskiej SETI Frank Drake zaproponował równanie, którego celem jest dokładniejsze zrozumienie mechanizmów wpływająch na szanse powstania takich cywilizacji. Według jego szacunków w najbardziej pesymistycznej wersji Wszechświat powinno zamieszkiwać pięć miliardów rozwiniętych cywilizacji. Ale zarówno Fermi, jak i Drake – obaj żyjący w erze atomu – podkreślali, że rozwinięta cywilizacja nie będzie trwała w nieskończoność, ponieważ może się unicestwić przy użyciu zaawansowanej broni. „Krótki” czas istnienia cywilizacji przy odległościach w kosmosie uniemożliwiłoby realne skomunikowanie się z przedstawicielami innych cywilizacji. Czy w takim razie może istnieć cywilizacja zdolna pokonać ograniczenia prędkości światła i ludzkiego życia, nie łamiąc praw znanej fizyki? Zdaniem fizyków Chris Reissa i Justin C. Feng byłoby to możliwe, gdyby cywilizacja osiedliła się w pobliżu czarnej dziury, gdzie z powodu grawitacyjnej dylatacji czasu sekunda lokalna może odpowiadać tysiącom sekund dla obserwatora daleko w galaktyce. Najlepszym miejscem do tego są stabilne orbity wokół supermasywnej czarnej dziury, np. Sgr A* w centrum Drogi Mlecznej. Imperia galaktyczne i paradoks Fermiego W opublikowanym kilka dni temu w serwisie preprintów Arxiv.com artykule „Cywilizacje spowolnione w czasie, imperia galaktyczne i paradoks Fermiego” (Redshifted civilizations, galactic empires, and the Fermi paradox) badacze rozważają kilka scenariuszy, w których cywilizacja może migrować do tzw. ramki czasowo rozciągniętej (time-dilated frame) w ramach klasycznej teorii względności i bez naruszania tolerowalnego poziomu przyspieszenia dla biologicznej materii. Cywilizacja, która mogłaby to osiągnąć, musiałaby należeć do tzw. drugiego typu na skali Kardaszewa. W 1964 roku rosyjski astrofizyk Nikołaj Kardaszew zaproponował klasyfikację cywilizacji opartą na ilości energii, jaką może ona pozyskać. Typ pierwszy wykorzystuje całą energię dostępną na swojej planecie, typ drugi – całą energię swojej gwiazdy, a typ trzeci – całą energię galaktyki. Jeśli zastanawiacie się, do jakiego typu należymy my, Ziemianie, to nie dotarliśmy jeszcze w swoim rozwoju do typu pierwszego. Wspominany typ drugi pozwala na budowę sfery Dysona, czyli hipotetycznej megastruktury zdolnej wykorzystywać całą energię gwiazdy. Życie na sferze Dysona Również Chris Reissa i Justin C. Feng w swoich rozważaniach przyjmują, że cywilizacja potrafiąca wykorzystać spowolnienie czasu funkcjonowałaby na statkach kosmicznych. Zadaliśmy Justinowi C. Fengowi pytanie o to, co widziałby osobnik cywilizacji krążącej wokół czarnej dziury patrząc na resztę Galaktyki. I jak bardzo inaczej płynąłby dla niego czas niż dla nas na Ziemi? <img src="https://images.immediate.co.uk/production/volatile/sites/63/2024/08/czy-gdzies-w-kosmosie-znajduja-sie-sfery-dysona-naukowcy-twierdza-ze-znalezli-siedmiu-kandydatow-6769b91.jpg" width="1000" height="563" alt="Czy gdzieś w kosmosie znajdują się sfery Dysona? Naukowcy twierdzą, że znaleźli siedmiu kandydatów" title="Czy gdzieś w kosmosie znajdują się sfery Dysona? Naukowcy twierdzą, że znaleźli siedmiu kandydatów" /> – Wewnątrz statku czas byłby postrzegany jako płynący normalnie. Jedynym zauważalnym efektem mogłyby być łagodne siły pływowe – w jednym kierunku rozciągające, a w kierunku prostopadłym ściskające. To, że mieszkaniec odczuwa jedynie łagodne siły pływowe, jest zamierzone. Wybieramy takie orbity, które maksymalizują dylatację czasu, jednocześnie utrzymując siły pływowe w granicach tolerancji biologicznej – powiedział uczony. Dalej wyjaśnia, że orbity w pobliżu sfery fotonowej czarnej dziury mogą osiągać dowolnie duże współczynniki dylatacji czasu, ale kosztem rosnących do ekstremum sił pływowych. – Dla czarnej dziury w centrum naszej galaktyki Sgr A* stwierdziliśmy, że maksymalny współczynnik dylatacji czasu wynosi około 100, zanim siły pływowe staną się niekomfortowe dla człowieka. Większe wartości wymagałyby czarnych dziur o znacznie większej masie. Przyspieszenie i spowolnienie czasu Czyli patrząc przez „okno”, mieszkaniec zobaczyłby bardzo dziwny obraz Ziemi podczas obiegu statku wokół czarnej dziury. – Załóżmy, że Ziemia znajduje się w płaszczyźnie tej orbity. Przez większość orbity zegary na Ziemi wydawałyby się biec szybciej, a w części orbity, gdy statek porusza się niemal dokładnie w kierunku przeciwnym do Ziemi, zegary wydawałyby się zwalniać. Efektem netto byłoby ogólne przyspieszenie zegarów ziemskich – wynikające z tego samego mechanizmu, który rozwiązuje tzw. paradoks bliźniąt w szczególnej teorii względności – twierdzi naukowiec. Takie „przesunięte ku czerwieni” cywilizacje mogłyby istnieć w pobliżu horyzontu zdarzeń czarnej dziury. Wówczas uległyby spowolnieniu czasu, a jeden rok tam byłby jak 100 lat na Ziemi. Natomiast obserwując Wszechświat widzieliby go w przyspieszeniu. W związku z tym z ich punktu widzenia podróże międzygwiezdne stałyby się krótsze. Zakładając, że czas cywilizacji płynie 100 razy wolniej, to przelot przez galaktykę trwałby dla nich zaledwie 1000 lat ich czasu własnego. Szybkie rozbłyski radiowe – Jeśli takie cywilizacje istnieją, po czym moglibyśmy je dziś rozpoznać? Jaki byłby najbardziej wiarygodny ślad w danych radiowych lub optycznych i czym różniłby się od naturalnych zjawisk, które teleskopy obserwują rutynowo? – zapytaliśmy Justina C. Fenga. – Cywilizacje znajdujące się na odpowiednio bliskich orbitach wokół czarnej dziury, jak Sgr A*, prawdopodobnie wytwarzałyby sygnały towarzyszące oczyszczaniu orbitalnych pasów z plazmy lub gazu. Spodziewalibyśmy się, że takie sygnały charakteryzowałyby się malejącą częstotliwością w czasie, powtarzającą się po każdym obiegu – twierdzi naukowiec. Takim sygnałem mogłyby być rejestrowane już tzw. szybkie rozbłyski radiowe. Jednak dr Feng zastrzega, że konieczne byłyby znacznie dokładniejsze badania, by wysunąć taką hipotezę. – Ponieważ orbity bliskie sferze fotonowej są niestabilne, naturalna akumulacja materii w takim rejonie jest bardzo mało prawdopodobna. Dlatego trwały, powtarzalny sygnał pochodzący z takiej orbity mógłby wskazywać na sztuczne źródło. Jednak jasność takich emisji, według naszych obliczeń, wynosiłaby około 10¹⁹ watów, czyli wiele rzędów wielkości mniej niż blask brązowego karła. To oznacza, że takie sygnały byłyby ekstremalnie trudne do wykrycia – mówi naukowiec. Dodaje, że istnieje też jeszcze inna możliwość. – Jeśli wokół supermasywnej czarnej dziury zgromadziłoby się wiele cywilizacji, orbitalne „pasy ruchu” stałyby się ograniczonym zasobem. W takiej sytuacji wzrosłoby prawdopodobieństwo konfliktu. Taki konflikt mógłby być bardzo jasnym wydarzeniem astronomicznym – choć o dość makabrycznych konsekwencjach. Źródło: ArXiv Nasza autorka Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.
Kosmiczne tango. Mamy pierwszy radiowy obraz dwóch czarnych dziur w śmiertelnym uścisku
Radioastronomom udało się zarejestrować taniec dwóch krążących wokół siebie czarnych dziur. Choć same czarne dziury są niewidoczne, można je wykryć poprzez potężne dżety lub świecący gaz wokół nich. A te, jak na śmiertelny taniec potężnych kosmicznych obiektów przystało, są imponujące.
Pierwsze informacje o tym, że w aktywnym jądrze odległej o 3,5 miliarda lat świetlnych galaktyki OJ 287 musi istnieć nie jedna, lecz para czarnych dziur, zostały rozgłoszone przez astronomów związanych z Uniwersytetem w Turku w Finlandii jeszcze w 1982 roku. Jednak dopiero dwa lata temu międzynarodowa grupa badawcza, w skład której wchodzili naukowcy z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie, wykonała pierwsze dokładne obserwacje tego obszaru. Potwierdziły one istnienie w galaktyce OJ 287 pary czarnych dziur oraz pozwoliły lepiej poznać układ i jego okolice. Ekstremalne środowisko czarnych dziur Wszystko wskazuje na to, że główna czarna dziura OJ 287, o masie około 18 miliardów Słońc, jest otoczona galaktycznym dyskiem akrecyjnym, z którego powoli „zasysa” materię. Wzdłuż biegunów magnetycznych wyrzucane są tzw. dżety plazmy, czyli wysokoenergetyczne wypływy materii, którym towarzyszy promieniowanie elektromagnetyczne. Druga, mniejsza czarna dziura, o masie „zaledwie” 150 milionów mas Słońca, okrąża swoją towarzyszkę i co pewien czas przebija jej dysk, powodując nagły, krótki rozbłysk jasności całej galaktyki. Jak przekonują badacze, czasowa zmienność jasności całego obiektu jest obserwowana już od 120 lat, a jego najwcześniejsze zdjęcia rejestrowano jeszcze na szklanych płytkach fotograficznych. – Po raz pierwszy udało nam się uzyskać obraz dwóch czarnych dziur krążących wokół siebie. Widać je dzięki intensywnym dżetom cząstek, które emitują. Same czarne dziury są całkowicie czarne, ale można je wykryć poprzez te dżety lub świecący gaz wokół nich — powiedział astronom Mauri Valtonen z Uniwersytetu w Turku. To właśnie Mauri Valtonen jest astronomem, który w 1982 roku jako pierwszy uznał, że w OJ 287 muszą znajdować się dwie czarne dziury. Nowe dane nie tylko potwierdzają jego przypuszczenia, ale też dają nam możliwość zajrzenia do tego skomplikowanego układu. Obiekt gwiazdopodobny Zacznijmy od tego, że galaktyka OJ 287 jest kwazarem, czyli jednym z najjaśniejszych i najpotężniejszych obiektów we Wszechświecie. Nazwa kwazar – quasi-gwiazdowe źródło radiowe – odnosi się do faktu, iż obiekty te wyglądają na zdjęciach jak gwiazdy (stąd nazwa „quasi-stellar”), jednak w rzeczywistości są jądrami bardzo odległych galaktyk, w których znajduje się supermasywna czarna dziura aktywnie pochłaniająca materię. Jednak OJ 287 wyróżnia się spośród innych kwazarów. Już w latach 80. XX wieku zauważono, że jej jasność zmienia się cyklicznie co około 12 lat, co wskazywało, że wokół centralnej czarnej dziury krąży druga, mniejsza – po bardzo wydłużonej orbicie, okresowo przebijając się przez dysk materii. Omawiany, wyjątkowo ostry obraz OJ 287 udało się uzyskać dzięki interferometrowi RadioAstron. Łącząc obserwatorium kosmiczne z antenami na Ziemi, naukowcy osiągnęli rekordową rozdzielczość – tak wysoką, że pozwoliłaby rozróżnić monetę leżącą na powierzchni Księżyca. Galaktyczne dżety Analizując dane z RadioAstron, badacze zauważyli cechy wskazujące na istnienie drugiego, słabszego dżetu – tego, który pochodzi od mniejszej czarnej dziury. Ze względu na jej szybszy ruch względem większego partnera dżet ten jest skręcony niczym strumień wody z obracającego się węża ogrodowego. Porównując obserwacje z teoretycznymi modelami, badacze odkryli, że jeden z elementów na mapie radiowej idealnie odpowiada przewidywanej trajektorii drugiego dżetu. Główny dżet przecina centrum galaktyki po przekątnej, natomiast słabszy biegnie pod innym kątem – dokładnie tak, jak przewidywały modele. Dodatkowo analiza wskazuje, że dżet z mniejszej czarnej dziury porusza się około dwa razy wolniej niż ten z większej. Mamy więc pierwszy w historii bezpośredni dowód na istnienie dwóch aktywnych dżetów z dwóch oddzielnych supermasywnych czarnych dziur. Czarnych dziur zbliżających się do siebie w energetycznym i śmiertelnym tańcu. Źródło: opscience.iop.org Nasza autorka Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Związana z magazynami portali Gazeta.pl oraz Wp.pl. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.
Gorący wiatr z czarnej dziury uchwycony po 50 latach obserwacji. Co naukowcy o nim wiedzą?
Sagittarius A* to znajdująca się w centrum Drogi Mlecznej czarna dziura o masie około 4 mln mas Słońca. Okazuje się, że posiada dysk akrecyjny emitujący gorący wiatr. Według naukowców energia potrzebna do wytworzenia takiego strumienia odpowiada energii około 25 000 Słońc. O czym nam to mówi?
Od 100 lat, czyli odkąd Harlow Shapley i inni astronomowie zaczęli badać rozmieszczenie gwiazd w Drodze Mlecznej, które wskazało na istnienie masywnego centrum galaktyki, nieustannie próbujemy poznać jak najwięcej parametrów tego miejsca. W 1974 roku Bruce Balick i Robert Brown zidentyfikowali bardzo zwarte źródło fal radiowych w samym środku Drogi Mlecznej i nazwali je Sagittarius A*. Sagittarius, ponieważ jest to łacińska nazwa konstelacji Strzelca, w której kierunku znajduje się centrum Drogi Mlecznej. Nobel i supermasywna czarna dziura Niemal pół wieku później, konkretnie w latach 1990–2000 Andrea Ghez (UCLA) i Reinhard Genzel (Max Planck Institute) wykazali, że w centrum Drogi Mlecznej znajduje się obiekt o masie około 4 mln mas Słońca w objętości mniejszej niż Układ Słoneczny, co stanowi najsilniejszy dowód na supermasywną czarną dziurę. Ich praca została w 2020 roku uhonorowana Nagrodą Nobla. Już od lat 70. ubiegłego wieku astronomowie przewidywali, że Sagittarius A* powinien wysyłać gorący wiatr – strumień rozgrzanego gazu i plazmy wydostający się z obszaru wokół czarnej dziury. Sama czarna dziura nie może go generować, ponieważ tzw. horyzont zdarzeń nie wypuszcza niczego, co już wpadło w pułapkę tego grawitacyjnego potwora. Ale wokół supermasywnej czarnej dziury znajduje się tak zwany dysk akrecyjny – gorący wirujący gaz, który po pewnym czasie opada na czarną dziurę, zasilając ją. Zbliżając się do horyzontu zdarzeń gaz rozgrzewa się do temperatury milionów stopni Celsjusza, po czym jonizuje się i emituje promieniowanie rentgenowskie. Część materii zamiast zostać pochłonięta zostaje wyrzucona na zewnątrz właśnie w postaci „wiatru”. Wiatr ten, wyrywając się z dysku akrecyjnego, przyjmuje kształt stożka. Dane z obserwatorium ALMA Właśnie po raz pierwszy udało się coś takiego zaobserwować. Wszystko dzięki pięcioletnim obserwacjom prowadzonym na ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), największym na świecie zespole radioteleskopów pracujących w zakresie fal milimetrowych i submilimetrowych. Badania prowadzili Mark Gorski i Elena Murchikova z Northwestern University w Illinois. Zacznijmy od tego, że w porównaniu z wieloma innymi supermasywnymi czarnymi dziurami w centrach galaktyk, Sgr A* jest całkiem spokojna. Nie wyrzuca potężnych dżetów, jak czarne dziury w innych galaktykach, które bywają tak jasne, że widzimy je w bardzo wczesnym Wszechświecie. Jednak wszystkie supermasywne czarne dziury – także Sgr A* – teoretycznie powinny wytwarzać wiatry. Nie udało się go wykryć przez tak długi czas, ponieważ trudno obserwuje się rejon, w którym znajduje się gęsta mieszanina gwiazd, pyłu i gazu. Mieszaninę tę określa się mianem dysku okołojądrowego (CND). Dopiero wieloletnie obserwacje pozwoliły odkryć duże obszary zimnego gazu oraz wyraźny stożek gorącego gazu, który wygląda na poszukiwany od lat 50. XX w. wiatr. Na podstawie zebranych przez ALMA danych badacze stworzyli mapę zimnego gazu znajdującego się w odległości kilku lat świetlnych od Sgr A*. Mapa ta jest aż 100-krotnie dokładniejsza niż wcześniejsze tego typu opisy. Taką precyzję udało się osiągnąć dzięki symulacjom i odjęciu efektu migotania światła emitowanego przez samą czarną dziurę. Stożek gorącego gazu Właśnie na tej mapie badacze dostrzegli wyraźny stożek pozbawiony zimnego gazu. Po zestawieniu danych z emisji rentgenowskiej oba obszary pokryły się niemal idealnie. Obliczyli, że energia potrzebna do wytworzenia takiego strumienia odpowiada energii około 25 000 Słońc. Nie mogły jej wytworzyć pobliskie gwiazdy ani supernowe, co wskazuje, że źródłem musi być sama Sgr A*. Dlaczego jest to istotne? Przede wszystkim pozwala prześledzić ewolucję naszej centralnej supermasywnej czarnej dziury. W tej chwili Sgr A* jest mało aktywna, ale pewne dane sugerują, że niegdyś była bardzo aktywna i zdolna wystrzeliwać wysokoenergetyczne dżety. Właśnie tego typu dżety mogły wpłynąć na utworzenie się tzw. pęcherzy Fermiego, czyli gigantycznych struktur gazowych wypełnionych wysokoenergetycznymi cząstkami i promieniowaniem gamma. W 2010 roku teleskop Fermiego odkrył tego typu struktury rozciągające się na około 25 000 lat świetlnych w górę i w dół od centrum Drogi Mlecznej. Poza tym, jeśli odkrycie potwierdzą kolejne badania, można będzie określić w jakim kierunku materia wpada do czarnej dziury. A to stanowi klucz do lepszego zrozumienia także ewolucji całej naszej galaktyki. Źródło: New Scientist Nasza autorka Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Związana z magazynami portali Gazeta.pl oraz Wp.pl. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.
Zaskakująca obserwacja gwiazdy neutronowej. Naukowcy zachwyceni
Kosmiczny teleskop rentgenowski XRISM przyjrzał się gwieździe neutronowej GX13+1, będącej wypalonym jądrem dawnej, ogromnej gwiazdy. Głównym tematem badania był generowany przez ten obiekt wiatr, który – według naukowców – miał być podobny do tego generowanego przez supermasywne czarne dziury. Jednak obserwacje wykazały coś zgoła odmiennego.
Spis treści: Miękkie promieniowanie rentgenowskie Dwa wiatry Granica Eddingtona Powolny i gęsty wiatr Wystrzelony dwa lata temu kosmiczny teleskop XRISM prowadzi obserwacje obiektów emitujących promieniowanie rentgenowskie. Ma to pozwolić lepiej zrozumieć cały wachlarz kosmicznych zagwozdek: od ruchów materii, przez skład chemiczny gazu międzygwiazdowego i międzygalaktycznego, aż po wpływ czarnych dziur na powstawanie galaktyk i ewolucję Wszechświata. Za tym potężnym narzędziem astronomicznym stoją trzy agencje kosmiczne: japońska JAXA, NASA i Europejska Agencja Kosmiczna (ESA). Miękkie promieniowanie rentgenowskie Dzisiaj na łamach prestiżowego magazynu „Nature” pojawił się artykuł opisujący zaskakujące dane z obserwacji prowadzonych przez jeden z instrumentów teleskopu na gwieździe neutronowej GX13+1. Mowa o Resolve, spektrometrze mikro-kalorymetrycznyM (micro-calorimeter) do obserwacji miękkiego promieniowania rentgenowskiego w zakresie ~0,3-12 keV. Gwiazda neutronowa GX13+1 stanowi jasne źródło promieniowania rentgenowskiego, które pochodzi z tzw. dysku akrecyjnego. Gorąca materia dysku stopniowo opada spiralnie w dół, uderzając w powierzchnię gwiazdy neutronowej. Ten sposób zasilenia gwiazdy neutronowej wpływa również na generowane przez nią emisje. A te bezpośrednio wpływają na środowisko kosmiczne, przekształcając je. Ale instrument Resolve, obserwujący te zdarzenia, wyjawił naukowcom znacznie więcej szczegółów niż oczekiwali. – Gdy tylko zobaczyliśmy bogactwo szczegółów w zebranych przez Resolve danych, poczuliśmy, że jesteśmy świadkami czegoś absolutnie przełomowego. Dla wielu z nas było to spełnienie marzenia, za którym goniliśmy przez dekady – powiedział Matteo Guainazzi, naukowiec projektu XRISM w ESA. Dwa wiatry Mowa o kosmicznych wiatrach generowanych przez tę gwiazdę neutronową. Wiatrach, które pojawiają się również w układach supermasywnych czarnych dziur znajdujących się w centrach galaktyk. Wiatry te mogą wywoływać zapadanie się gigantycznych obłoków molekularnych, co wpływa bezpośrednio na powstawanie gwiazd. Z drugiej strony mogą też hamować proces formowania się gwiazd poprzez podgrzewanie i rozrywanie obłoków molekularnych. Astronomowie nazywają to „sprzężeniem zwrotnym” i podkreślają, że wiatry z supermasywnej czarnej dziury mogą kontrolować wzrost całej galaktyki macierzystej. W tym miejscu wróćmy do obserwacji gwiazdy neutronowej. Badacze zdecydowali się skupić na niej, ponieważ jest bliżej nas niż supermasywna czarna dziura, a przede wszystkim jest jasna i łatwiejsza do prowadzenia obserwacji. Według założeń, mechanizmy generowania wiatrów z gwiazd neutronowych i supermasywnych czarnych dziur powinny się pokrywać. W dodatku tuż przed planowanymi obserwacjami GX13+1 niespodziewanie stała się jeszcze jaśniejsza, osiągając, a nawet przekraczając teoretyczny pułap, znany jako granica Eddingtona. Mowa o teoretycznym limicie masy gwiazdy lub dysku akrecyjnego, przy którym promieniowanie generowane przez ciśnienie wyrównuje się z siłą grawitacji. Jeśli gwiazda przekroczy ten limit, jej luminacja jest tak wysoka, że zdmuchuje zewnętrzne warstwy obiektu, a masa osiąga swoją teoretyczną granicę. Granica Eddingtona Innymi słowy: im więcej materii opada na zwarty obiekt, taki jak czarna dziura lub gwiazda neutronowa, tym więcej energii jest uwalniane. Im szybciej energia jest uwalniana, tym większe ciśnienie wywiera ona na inny opadający materiał, wypychając więcej jej z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Na granicy Eddingtona ilość wytwarzanego światła o wysokiej energii jest zasadniczo wystarczająca, aby przekształcić niemal całą opadającą materię w wiatr kosmiczny. Był to wyjątkowy i cudowny przypadek, że właśnie w takim momencie XRISM obserwował GX13+1. – Nawet gdybyśmy próbowali, nie moglibyśmy tego zaplanować. System przeszedł z około połowy swojej maksymalnej mocy promieniowania do czegoś znacznie intensywniejszego, tworząc wiatr gęstszy niż kiedykolwiek wcześniej – powiedział Chris Done z Uniwersytetu w Durham w Wielkiej Brytanii, główny naukowiec opisywanego badania. Powolny i gęsty wiatr Okazało się jednak, że ten wiatr był niespodziewanie powolny. Jego prędkość utrzymywała na poziomie około 1 miliona km/godz. A chociaż dla nas jest to prędkość nieosiągalna, to w porównaniu z wiatrami kosmicznymi wytwarzanymi w pobliżu granicy Eddingtona wokół supermasywnej czarnej dziury, które mogą osiągnąć 20 do 30 procent prędkości światła, czyli ponad 200 milionów km/godz., wiatr z GX13+1 miał wręcz ślimaczą prędkość. – Wciąż jestem zaskoczony, jak „powolny” i gęsty jest ten wiatr. Tak gęsty, że zaciemnia wszystko wokół – mówił Chris Done. Skąd tak duża różnica? Według badaczy, problem może sprowadzać się do temperatury dysku akrecyjnego, który tworzy się wokół centralnego obiektu. Wbrew intuicji, supermasywne czarne dziury mają zazwyczaj dyski akrecyjne o niższej temperaturze niż dyski wokół układów podwójnych o masie gwiazdowej z czarnymi dziurami lub gwiazdami neutronowymi. Naukowcy spekulują, że materia jest znacznie łatwiej absorbowana niż promieniowanie rentgenowskie, co może powodować szybsze wiatry obserwowane w układach czarnych dziur. Jeśli tak, odkrycie to może zmienić nasze rozumienie interakcji energii i materii w jednych z najbardziej ekstremalnych środowisk we Wszechświecie, zapewniając pełniejszy wgląd w złożone mechanizmy kształtujące galaktyki i napędzające kosmiczną ewolucję. Lepsze zrozumienie tego problemu może przynieść opracowywana właśnie misja NewAthena, przy której pracują również polscy naukowcy i inżynierowie. Źródło: Nature Nasza autorka Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.
Czy żyjemy w czarnej dziurze? Oto co mówią fizycy
Niecodzienne właściwości matematyczne naszego wszechświata sprawiają, że niektórzy naukowcy zastanawiają się, czy kosmos mógł aby powstać wewnątrz czarnej dziury.
Spis treści: Czy wszechświat ma granice? Zaskakujące podobieństwa do czarnej dziury Czy czarne dziury rodzą nowe wszechświaty? Niezwykła teoria z poparciem matematyki Czy wszechświat działa jak czarna dziura? Zaskakujące punkty wspólne Czy da się udowodnić, że żyjemy w czarnej dziurze? Fizycy szukają odpowiedzi Wszechświat narodził się w czarnej dziurze – to nie początek żartu, ale jedna z poważnie rozważanych hipotez wśród kosmologów. Naukowcy sugerują, że nasz wszechświat mógł powstać wewnątrz gigantycznej czarnej dziury, będącej częścią innego kosmosu. Czy wszechświat ma granice? Zaskakujące podobieństwa do czarnej dziury Patrząc nocą w gwiazdy, łatwo ulec złudzeniu, że przestrzeń kosmiczna ciągnie się w nieskończoność. Tymczasem kosmolodzy dobrze wiedzą, że wszechświat ma swoje granice. Po pierwsze, według najlepszych dostępnych modeli, czasoprzestrzeń miała swój początek – w subatomowym punkcie zwanym osobliwością. Ten punkt o ogromnej temperaturze i gęstości gwałtownie się rozszerzył podczas wielkiego wybuchu. Tak powstał wszechświat. Po drugie, obserwowalny wszechświat jest ograniczony tak zwaną horyzontem zdarzeń – granicą, poza którą nie jesteśmy w stanie niczego zaobserwować, ponieważ kosmos rozszerzył się szybciej niż prędkość światła, pozostawiając część przestrzeni poza zasięgiem nawet naszych najlepszych teleskopów. Te dwa elementy – osobliwość i horyzont zdarzeń – to także kluczowe cechy czarnych dziur. Te grawitacyjne potwory czają się w różnych zakątkach kosmosu, pochłaniając gaz, pył i światło. Podobnie jak wszechświat, czarne dziury są ograniczone własnym horyzontem zdarzeń – granicą, poza którą nic nie może zostać zaobserwowane, i w której przypuszczalnie znajduje się osobliwość. Być może właśnie dlatego niektóre nowe publikacje naukowe sugerują, że nasz cały wszechświat może znajdować się wewnątrz czarnej dziury. Choć taka hipoteza wykracza poza ramy klasycznej kosmologii, myśl, że możemy żyć wewnątrz czarnej dziury, nie jest już zarezerwowana wyłącznie dla studentów filozofujących po nocach. – To całkiem racjonalna idea – mówi prof. Niayesh Afshordi, astrofizyk z Perimeter Institute for Theoretical Physics w Waterloo w Kanadzie. – Chodzi tylko o to, żeby dopracować szczegóły. Czy czarne dziury rodzą nowe wszechświaty? Niezwykła teoria z poparciem matematyki Matematyczne podstawy naszej wiedzy o wszechświecie są zaskakująco podobne do tych, które opisują czarne dziury. Oba modele wywodzą się z ogólnej teorii względności Alberta Einsteina. Zgodnie z nią, obiekty znajdujące się w przestrzeni zakrzywiają czasoprzestrzeń, co wpływa na ich ruch i tłumaczy zjawisko grawitacji. Co ciekawe, promień obserwowalnego wszechświata okazuje się być niemal identyczny z promieniem, jaki miałaby czarna dziura o masie równej masie naszego kosmosu. Na przestrzeni lat to zadziwiające podobieństwo skłoniło niektórych naukowców do postawienia hipotezy, że nasz wszechświat może znajdować się wewnątrz czarnej dziury. Jednymi z pierwszych badaczy, którzy zajęli się szczegółami tej teorii, byli fizyk teoretyczny Raj Kumar Pathria oraz, niezależnie od niego, matematyk I. J. Good – obaj pracowali nad tym zagadnieniem już w latach 70. XX wieku. Około dwie dekady później fizyk Lee Smolin poszedł o krok dalej, tworząc teorię, według której każda czarna dziura powstająca w naszym wszechświecie tworzy wewnątrz siebie nowy wszechświat, rządzący się nieco innymi prawami fizyki. W ten sposób wszechświaty tworzą się jeden z drugiego, mutując i „ewoluując” w procesie powstawania tzw. wszechświatów potomnych. Lee Smolin nazwał tę koncepcję kosmologiczną selekcją naturalną. Czy wszechświat działa jak czarna dziura? Zaskakujące punkty wspólne Choć żadna z tych teorii nie zdobyła powszechnej akceptacji, wielu fizyków wciąż dostrzega powiązania między czarnymi dziurami a wszechświatem. – Z matematycznego punktu widzenia są ze sobą silnie powiązane – mówi Ghazal Geshnizjani, fizyczka teoretyczna z Perimeter Institute. – Są jakby swoimi przeciwieństwami. Uważa się, że nasz kosmos rozpoczął się od osobliwości – punktu o nieskończonej gęstości, który poprzedził wielki wybuch. Dla kontrastu, czarne dziury kończą się osobliwością – maleńkim „punktem śmieciarki”, w którym wszystko zostaje zmiażdżone i traci swoje znaczenie. Horyzont zdarzeń czarnej dziury – sferyczna granica wokół osobliwości – to także punkt bez powrotu. Choć w popkulturze czarne dziury są przedstawiane jako kosmiczne odkurzacze, w rzeczywistości są dość spokojnymi obiektami. Statek kosmiczny może wejść na stabilną orbitę wokół czarnej dziury i odlecieć – chyba że przekroczy horyzont zdarzeń. Po jego przekroczeniu nic nie może już się wydostać. Podobny mechanizm napędza rozszerzanie się naszego wszechświata. Gdy patrzymy w niebo przez teleskopy, widzimy, że odległe obiekty oddalają się szybciej niż te bliższe. W odpowiednio dużych odległościach rozszerzanie się kosmosu następuje szybciej niż prędkość światła, przez co gwiazdy i galaktyki znikają za granicą, którą nazywamy horyzontem kosmicznym. Można odnieść wrażenie, że znikają one w otchłani odwróconej czarnej dziury. Uff. Zaczyna boleć głowa? Bez obaw – dla naukowców najważniejsze jest to, że pozorne podobieństwa między czarnymi dziurami a wszechświatem nie oznaczają automatycznie, że jedno jest drugim. Aby przejść do takiego wniosku, fizycy musieliby określić konkretne obserwowalne skutki takiej hipotezy. – Mamy teorie i one mają swoje konsekwencje – mówi prof. Alex Lupsasca, fizyk z Vanderbilt University w Nashville. – Jeśli skutki teorii zostaną obalone przez eksperyment, możemy uznać, że założenia są niespójne lub błędne. Czy da się udowodnić, że żyjemy w czarnej dziurze? Fizycy szukają odpowiedzi Jakie byłyby więc obserwowalne skutki, gdyby nasz wszechświat rzeczywiście znajdował się wewnątrz czarnej dziury? Po pierwsze, kosmos mógłby mieć naturalny kierunek lub orientację – galaktyki mogłyby obracać się w preferowany sposób albo w mikrofalowym promieniowaniu tła (czyli cieple pozostałym po wielkim wybuchu) można by wykryć subtelną oś symetrii. – Można by oczekiwać pewnego rodzaju gradientu w strukturze naszego wszechświata – mówi prof. Niayesh Afshordi. – W jednym kierunku znajdowałoby się centrum czarnej dziury, w przeciwnym – jej zewnętrzna granica. Tymczasem jednak, zgodnie z najdokładniejszymi pomiarami, w największej skali wszechświat wydaje się być zaskakująco jednorodny i powtarzalny. Fizycy określają to mianem zasady kosmologicznej, według której wszechświat nie posiada wyróżnionego kierunku i praktycznie wszędzie wygląda podobnie. Jak taka jednolitość mogłaby wynikać z narodzin czarnej dziury, pozostaje trudnym pytaniem dla każdego, kto twierdzi, że kosmos istnieje wewnątrz jednej z nich. W końcu czarne dziury powstają z umierających gwiazd – a to proces chaotyczny, nieuporządkowany i bardzo daleki od jednorodności. Kolejnym problemem jest sama osobliwość czarnej dziury. Ten nieskończenie mały punkt stanowi ostateczny koniec dla każdego obiektu, który wpadnie do czarnej dziury – zupełne przeciwieństwo szybko rozszerzającego się wszechświata. Aby lepiej zrozumieć te zjawiska, fizycy musieliby nauczyć się, jak połączyć dwie najbardziej udane teorie fizyczne XX wieku: ogólną teorię względności, która opisuje największe obiekty, oraz mechanikę kwantową, rządzącą najmniejszymi cząstkami. Ponieważ osobliwość to mikroskopijny punkt o ogromnej masie, żadna z tych teorii nie potrafi go samodzielnie opisać. Potrzebne byłoby nowe podejście, łączące obie koncepcje – tzw. teoria grawitacji kwantowej. Mimo wielu prób, naukowcy wciąż nie zdołali jej opracować. Z tego powodu nadal nie jesteśmy w stanie ustalić, co dokładnie dzieje się wewnątrz czarnej dziury ani co istniało przed wielkim wybuchem. Mimo to kosmolodzy zgadzają się, że badanie takich koncepcji jest nie tylko fascynującym wyzwaniem intelektualnym, ale również może prowadzić do przełomowych odkryć. Być może pewnego dnia teorie te skłonią naukowców do przemyślenia obecnych modeli kosmosu – i okaże się, że nasz wszechświat naprawdę znajduje się wewnątrz czarnej dziury. Źródło: National Geographic Polska
Najpotężniejsze zderzenie czarnych dziur w historii. Naukowcy zaskoczeni skalą zjawiska
Jak duże mogą być czarne dziury – to pytanie od lat intryguje naukowców. Najnowsze odkrycia sugerują, że ich rozmiary mogą przekraczać dotychczasowe wyobrażenia. Astrofizycy badają granice masy tych enigmatycznych obiektów, które potrafią rosnąć szybciej niż galaktyki, w których się znajdują.
Spis treści: Nowe odkrycie z LIGO burzy wiedzę o masie czarnych dziur Czarne dziury z „zakazanego” przedziału masy coraz częstsze Nowy typ czarnych dziur burzy ustalony porządek Brakujące ogniwo – czarne dziury średniej masy Skąd się biorą czarne dziury pośredniej wielkości? Zawrotne tempo obrotu może być kluczem Nowe detektory pomogą odkrywać jeszcze większe czarne dziury 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
Detektory fal grawitacyjnych zarejestrowały zdarzenie, które potwierdziło teorie Einsteina i Hawkinga
Niemal równo dekadę po pierwszej, wyróżnionej Nagrodą Nobla detekcji fal grawitacyjnych, detektor LIGO zarejestrował „najgłośniejsze” fale grawitacyjne w swojej historii. Zdaniem ekspertów badających zdarzenia kosmiczne poprzez analizę zmarszczek na czasoprzestrzeni, było to jak „szept, który stał się krzykiem”.
Spis treści: Najwyraźniejszy sygnał w historii 100 lat po Einsteinie Twierdzenie Hawkinga Rozkwit astronomii fal grawitacyjnych Znajdujące się w Stanach Zjednoczonych obserwatorium fal grawitacyjnych LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) zarejestrowało sygnał potwierdzający przewidywania Alberta Einsteina, Stephena Hawkinga i Roya Kerra. Na kilka dni przed rocznicą pierwszej historycznej detekcji fal grawitacyjnych, do której doszło 14 września 2015 r., naukowcy poinformowali, że zarejestrowali zderzenie dwóch czarnych dziur, z których każda miała masę około 32 mas Słońca. Nowy sygnał, który otrzymał sygnaturę GW250114, należy do najczystszych w historii. – To najgłośniejszy ślad fal grawitacyjnych, jaki zarejestrowaliśmy. Przypomina szept, który nagle stał się krzykiem – mówi dr Geraint Pratten z Uniwersytetu w Birmingham. Najwyraźniejszy sygnał w historii Tylko co to oznacza? Jak to możliwe, że „zmarszczka na czasoprzestrzeni” jest głośna? – Chodzi o tzw. stosunek „sygnał u do szumu” (Signal-to-Noise Ratio, SNR). W detektorze fal grawitacyjnych odbieramy sygnał, ale odbieramy też szum samego detektora oraz jego otoczenia. To, na ile sygnał odebrany przez detektor wystaje ponad tło pozostałych „ziemskich” szumów określa, na ile jest on wyraźny. W przypadku pierwszej, historycznej detekcji – GW150914 – SNR określono na 24. Do tej pory za najgłośniejszy sygnał uznawano GW230814 z SNR na poziomie 42. W przypadku najnowszej detekcji GW250114 – SNR wynosi aż 80 – wyjaśnia dr Adam Zadrożny, który brał udział w projekcie LIGO-Virgo w latach 2009–2024 jako pracownik Narodowego Centrum Badań Jądrowych. LIGO jest jednym z trzech współczesnych detektorów fal grawitacyjnych. Pozostałe to działający we Włoszech nieopodal Pizy detektor Virgo oraz japońska KAGRA. Wszystkie zostały zbudowane by rejestrować sygnały pochodzące z kolizji czarnych dziur, zderzeń gwiazd neutronowych, a nawet rzadkich układów mieszanych (czarna dziura i gwiazda neutronowa). Zderzenia tak masywnych obiektów wywołują efekt podobny do tego, który powstaje, gdy wrzucimy do wody kamień – powstają koncentryczne fale, które słabną oddalając się od obiektu. Tylko w tym wypadku rozchodzą się nie po wodzie, tylko po czasoprzestrzeni. 100 lat po Einsteinie Istnienie fal grawitacyjnych wynika bezpośrednio z ogłoszonej w 1915 roku ogólnej teorii względności Einsteina. Jednak sam ojciec współczesnej fizyki uważał, że nigdy nie uda się dokonać detekcji tych sygnałów. Na szczęście 100 lat później udowodniono, że się mylił. Warto podkreślić, że nowa detekcja jest szczególnie symboliczna, bo przypomina tę pierwszą detekcję – GW150914 — tyle że sygnał jest trzykrotnie silniejszy. LIGO mogło tego dokonać dzięki stałym ulepszeniom technologii. Znajdujące się w Waszyngtonie i Luizjanie detektory potrafią dziś mierzyć zakłócenia czasoprzestrzeni mniejsze niż 1/10 000 średnicy protonu, czyli 700 bilionów razy cieńsze niż ludzki włos. Twierdzenie Hawkinga Dzięki niebywałej czystości GW250114 badaczom udało się przetestować z niezwykłą dokładnością przewidywania Einsteina, a także jedno z kluczowych twierdzeń Hawkinga. Profesor Hawking twierdził, że podczas łączenia czarnych dziur powierzchnia ich horyzontów zdarzeń – czyli granicy, zza której nic nie może się wydostać – może tylko rosnąć, nigdy maleć. W 1971 roku Hawking i Jacob Bekenstein przewidzieli, że suma powierzchni horyzontów zdarzeń dwóch czarnych dziur sprzed zderzenia jest zawsze mniejsza niż powierzchnia horyzontu zdarzeń czarnej dziury powstałej po połączeniu. I właśnie to udało się potwierdzić dzięki GW250114. Przed zderzeniem powierzchnia horyzontów zdarzeń czarnych dziur wynosiła ok. 240 000 km² (wielkość Wielkiej Brytanii), a po — 400 000 km² (wielkość Szwecji). – Wynikowa czarna dziura ma wyraźnie wyższe pole niż suma pól dwóch czarnych dziur przed zlaniem się. Czyli prawo powierzchni Hawkinga jest zachowane – mówi dr Adam Zadrożny. Udało się również potwierdzić tzw. geometrię Kerra. Matematyczny opis czarnej dziury wirującej przewiduje, że jej „głos” w fazie wygaszania (tzw. ringdown) można opisać tylko dwoma parametrami: masą i spinem. W przypadku GW250114 po raz pierwszy udało się wyraźnie zidentyfikować dwie częstotliwości tego „głosu” i wykazać ich zgodność z teorią Kerra. Rozkwit astronomii fal grawitacyjnych Mino tych sukcesów dopiero wkraczamy w poważną, dojrzałą fazę obserwacji Wszechświata za pomocą fal grawitacyjnych. – Najlepsze dopiero przed nami. Na horyzoncie majaczą już dwa niezwykle ważne instrumenty badawcze, czyli projektowany europejski Teleskop Einsteina i kosmiczne obserwatorium fal grawitacyjnych LISA. Oba te instrumenty mają rozpocząć pracę w 2035 roku – mówi polski ekspert. Dodaje, że Teleskop Einsteina pozwoli na dokładniejsze teksty ogólnej teorii względności, zajrzenie do wczesnego Wszechświata dalej niż mogą to uczynić detektory LIGO-Virgo-KAGRA. Jeszcze ciekawsze dane może zbierać gigantyczny kosmiczny detektor fal grawitacyjnych LISA. – Astronomia obserwacyjna fal grawitacyjnych powoli wchodzi w dojrzałą fazę. Wyniki tego zobaczymy już w kolejnej dekadzie – podsumowuje dr Adam Zadrożny. Źródło: Phys. Rev. Lett. Nasza autorka Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.
Czy zarejestrowane przez teleskop Webba tzw. Małe Czerwone Kropki są najwcześniejszymi czarnymi dziurami?
Kosmiczne oko ludzkości, czyli badający wszechświat w podczerwieni Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, zajrzał w przeszłość, do tzw. epoki rejonizacji. Zaobserwował tam „Małe Czerwone Kropki”, powstałe około 600 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Czy obiekty te mogą być pierwotnymi czarnymi dziurami, zalążkami współczesnych galaktyk?
Spis treści: Małe czerwone kropki Czy LRD to pierwotne czarne dziury? Masa galaktyki i czarnej dziury Czym mogą być Little Red Dots (Małe Czerwone Kropki, LRD), których ślady odkryło potężne oko wyniesionego 25 grudnia 2021 roku Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba? Jak dowiedzieć się, w jaki sposób wiązały się z rozwojem Wszechświata aż do momentu, w którym jesteśmy? Astronomowie z Uniwersytetu w Cambridge opublikowali właśnie artykuł, w którym przedstawiają analizy jednej z takim Małych Czerwonych Kropek. Konkretnie QSO1. Małe czerwone kropki Zacznijmy od tego, że LRD są niewielkimi punkcikami o skrajnie przesuniętym ku czerwieni widmie. Pochodzą z tzw. epoki rejonizacji, czyli trwającego miliard lat procesu, w którym światło z pierwszych gwiazd i galaktyk rozwiewało gazy wypełniające wczesny Wszechświat, tym samym umożliwiając światłu swobodny przepływ. Ten wczesny okres jest wyjątkowo tajemniczy. A chociaż naukowcy mają kilka hipotez wyjaśniających, w jaki sposób pierwsze gwiazdy, galaktyki i czarne dziury wyłoniły się z pierwotnej ciemności, sprawdzenie tego poprzez obserwacje nie jest proste. Przede wszystkim dlatego, że światło pochodzące z tych najwcześniejszych obiektów zostało rozciągnięte w kierunku czerwonego krańca widma elektromagnetycznego, czyli przesunięte ku czerwieni, dzięki nieustannie trwającej ekspansji Wszechświata. Na szczęście JWST został zaprojektowany do obserwacji światła w tych długościach fal, co czyni go najlepszym narzędziem, jakim dysponujemy, próbując zrozumieć, jak wszystko się zaczęło. Czy LRD to pierwotne czarne dziury? W opisywanym artykule opublikowanym na łamach serwisu preprintów Arxiv, Ignas Juodžbalis z Uniwersytetu Cambridge w Wielkiej Brytanii oraz jego grupa badawcza rozważa, czy LRD mogą być tzw. pierwotnymi czarnymi dziurami, zalążkami galaktyk. Co ciekawe, w przypadku obserwacji LRD QSO1 siła JWST została wzmocniona przez sam Wszechświat. Wszystko dlatego, że pomiędzy LRD a nami znajduje się masywna gromada galaktyk, która zakrzywia czasoprzestrzeń, tym samym wzmacniając światło pochodzące z omawianej LRD. Dzięki temu astronomowie mogli zbadać szczegóły tej odległej kropki, w tym obliczyć krzywą rotacji LRD – która w przypadku galaktyk ujawnia ich masy, a także masy czarnych dziur w ich centrach. Wyniki badaczy pokazują, że krzywa rotacji QSO1 jest dokładnie zgodna z galaktyką rotującą wokół masy około 50 milionów mas Słońca. A ta interpretacja pasuje również do szacunków masy czarnej dziury uzyskanych za pomocą innej metody. Wygląda na to, że galaktyka wokół opisywanej czarnej dziury jest wyjątkowo mała. Można wręcz stwierdzić, że masywna czarna dziura jest naga, pozbawiona galaktycznej otoczki. Tym samym może być wskazówką mówiącą, jak galaktyki formowały się we wczesnym Wszechświecie, sugerując, że czarne dziury pojawiły się najpierw, a galaktyki zgromadziły się wokół nich. – Jedyne scenariusze zdolne wyjaśnić taki układ, to te odwołujące się do „ciężkich zarodków”, takich jak czarne dziury powstałe w wyniku bezpośredniego kolapsu (DCBH, powstałe w wyniku bezpośredniego kolapsu masywnych, dziewiczych obłoków) lub pierwotne czarne dziury (PBH, powstałe w pierwszej sekundzie po Wielkim Wybuchu) – napisali badacze w swoim artykule. Masa galaktyki i czarnej dziury – Pierwotne czarne dziury stanowią racjonalne wyjaśnienie problemu powstawania galaktyk takich, jakimi je teraz widzimy. Ta hipoteza dobrze spełniały swoją rolę. Z drugiej strony, moi koledzy i koleżanki z Cambridge odkryli coś, co niejako stanowi rysę na tej hipotezie. Do teraz sądziliśmy, że te pierwotne czarne dziury nie mogły być zbyt masywne, ponieważ rosnąc do dziś osiągnęłyby gargantuiczną masę – komentuje prof. Łukasz Wyrzykowski, astronom związany z Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego i Narodowym Centrum Badań Jądrowych, a wcześniej pracujący przez wiele lat na Uniwersytecie w Cambridge. Polski naukowiec podkreśla, że dane przedstawione przez grupę Ignasa Juodžbalisa stanowią fascynujące odkrycie. – Przede wszystkim pokazują nam, jak niesamowite możliwości ma JWST. Pozwala nam zajrzeć w bardzo wczesny Wszechświat i zbadać bardzo słabe obiekty, dotychczas niewidoczne. Opisywany obiekt jest bardzo ciekawy ze względu na swoją masę względem masy galaktyki. We współczesnych galaktykach masa centralnej supermasywnej czarnej dziury to zwykle około 1% masy galaktyki. A w przypadku LRD QSO1 supermasywna czarna dziura jest niemal całą masą galaktyki. Podobnie jak w masa Układu Słonecznego to w 99,8 procentach masa samego Słońca – podsumowuje naukowiec. Dane wymagają dalszej analizy. Źródło: ArXiv Nasza autorka Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.
„Oko Saurona” w kosmosie – tolkienowskie odkrycie astronomów
Astronomowie przez 15 lat analizowali nietypowy obiekt z odległej galaktyki. Stworzony przez nich obraz blazara PKS 1424+240, przypominający „Oko Saurona”, okazał się kluczem do rozwiązania jednej z zagadek astrofizyki.
Astronomowie uchwycili w kosmosie spektakularny obraz dżetu blazara pochodzący z odległej galaktyki. Z wyglądu przypomina „Oko Saurona” z filmowej adaptacji "Władcy Pierścieni" J.R.R. Tolkiena. Jego obserwacja rozwiązała zagadkę niezwykle silnej emisji promieniowania. Czym jest blazar? Blazar to jedna z najbardziej ekstremalnych form galaktyki aktywnej. W jej centrum znajduje się supermasywna czarna dziura, która pochłania ogromne ilości materii. Blazary emitują silne promieniowanie elekromagnetyczne – od światła widzialnego, przez promieniowanie radiowe, po ultrafiolet, rentgen i fale gamma. Uchwycony na obrazie blazar PKS 1424+240 od dawna wprawiał naukowców w zakłopotanie. Jest najjaśniejszym znanym obiektem emitującym neutrina (co potwierdziło Obserwatorium IceCube). Problem w tym, że jego ruch pozornie wydawał się zbyt wolny jak na źródło tak potężnej energii. Wyjątkowe „Oko Saurona” Odpowiedź przyniosły żmudne, piętnastoletnie obserwacje wykorzystujące system radioteleskopów Very Long Baseline Array (VLBA). To sieć urządzeń rozmieszczonych na całym świecie. Dzięki temu działają one jak ogromny, pojedynczy teleskop wielkości samej planety. Wykorzystując technikę VLBA udało się uzyskać rekordową rozdzielczość i zajrzeć w sam środek dżetu. Efekt jest oszałamiający. – Nigdy nie widzieliśmy czegoś podobnego: niemal idealne toroidalne pole magnetyczne ze złączonym dżetem skierowanym prosto w naszą stronę – mówi lider projektu Yuri Kovalev z Max Planck Institute for Radio Astronomy w Bonn w Niemczech. Obraz, który uzyskali naukowcy, okazał się zaskakująco podobny do oka Saurona z "Władcy Pierścieni". Plazmowy dżet przypomina koncentryczne pierścienie ze „spojrzeniem” skierowanym wprost na Ziemię. Efekt relatywistycznego powiększenia Okazało się, że za pozorne wolne poruszanie się dżetu odpowiada szczególna teoria względności. Przez tzw. efekt Dopplera promieniowanie emitowane przez obiekt poruszający się wprost w stronę obserwatora może zostać rozjaśnione nawet kilkudziesięciokrotnie. Jednocześnie dżet wydaje się poruszać powoli z powodu klasycznego złudzenia optycznego. Podobny mechanizm można zaobserwować na Ziemi – np. w zmianie tonu syreny karetki, gdy ta zbliża się lub oddala od słuchacza. Nowe drzwi do kosmicznych tajemnic Obraz „Oka Saurona” ma nie tylko wartość estetyczną. To przede wszystkim narzędzie naukowe, które pozwala badać warunki w pobliżu supermasywnych czarnych dziur z wyjątkową precyzją. Dzięki badaniu ustalono, że aktywne jądra galaktyk są nie tylko potężnymi akceleratorami elektronów, ale także protonów. Te wyniki mogą pomóc w rozwikłaniu wielu zagadek dotyczących pochodzenia promieni kosmicznych i natury tajemniczych procesów zachodzących we Wszechświecie. – To dopiero początek. Teraz wiemy, gdzie patrzeć i jakich narzędzi używać, aby zobaczyć więcej – podsumowuje Kovalev. Źródło: Astronomy & Astrophysics Nasz autor Jonasz Przybył Redaktor i dziennikarz związany wcześniej m.in. z przyrodniczą gałęzią Wydawnictwa Naukowego PWN, autor wielu tekstów publicystycznych i specjalistycznych. W National Geographic skupia się głównie na tematach dotyczących środowiska naturalnego, historycznych i kulturowych. Prywatnie muzyk: gra na perkusji i na handpanie. Interesuje go historia średniowiecza oraz socjologia, szczególnie zagadnienia dotyczące funkcjonowania społeczeństw i wyzwań, jakie stawia przed nimi XXI wiek.
Teleskop Webba zarejestrował narodziny supermasywnej czarnej dziury. To tajemniczy obiekt
Supermasywne czarne dziury, czyli takie o masie ponad stu tysięcy mas Słońca i więcej, wciąż pozostają zagadką dla astronomów. Nieznane jest przede wszystkim ich pochodzenie. Część badaczy składa się ku hipotezie, iż powstały z masywnych i gęstych obłoków molekularnych, które zapadły się w czarną dziurę bez fazy gwiazdy. Prof. Pieter van Dokkum z Uniwersytetu Yale uważa, że właśnie trafił na taki obiekt.
Spis treści: Narodziny supermasywnej czarnej dziury Swobodne czarne dziury Teorie lekkich i ciężkich ziaren Badania Nieskończoności Niedawno astronomowie pracujący nad obrazami z badania COSMOS-Web prowadzonego przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) odkryli coś zaskakującego – galaktykę z podwójnym jądrem, powstałą prawdopodobnie w wyniku zderzenia się dwóch galaktyk. W związku z tym, że na obrazach przypomina symbol nieskończoności (∞), nadali jej przydomek Infinity (Galaktyka Nieskończoności). A chociaż sama możliwość zbadania kolizji galaktyk i powstałego w jej wyniku nowego obiektu jest fascynująca, to uwagę astronomów przykuło coś innego – dostrzeżona między łączącymi się galaktykami supermasywna czarna dziura. Znajduje się ona w rozległym polu gazu, a naukowcy uważają, że może to być uznawana za do tej pory hipotetyczną czarną dziurę powstała w wyniku bezpośredniego zapadnięcia się obłoku gazowego. Narodziny supermasywnej czarnej dziury – Uważamy, że jesteśmy świadkami narodzin supermasywnej czarnej dziury (SMBH) – czegoś, czego nigdy wcześniej nie widziano – napisał prof. Pieter van Dokkum z Uniwersytetu Yale. Jest on głównym autorem artykułu przedstawiającego to odkrycie, opublikowanego w czasopiśmie „The Astrophysical Journal Letters”. Morfologia Infinity sugeruje, iż powstała ona w wyniku zderzenia lub nałożenia na siebie dwóch galaktyk o równoległych dyskach, co utworzyło pierścienie zderzeniowe wokół obu galaktyk. Dane z teleskopów Kecka, Chandra i Very Large Array wskazują, że galaktyka Infinity, poza SMBH w centrach stapiających się galaktyk, zawiera aktywnie akreującą supermasywną czarną dziurę znajdującą się pomiędzy nimi. – Co ciekawe, ta trzecia SMBH nie jest powiązana z żadnym z dwóch centrów. Znajduje się pomiędzy nimi zarówno pod względem położenia, jak i prędkości radialnej – stwierdzono w artykule. Dalej badacze sugerują, że SMBH narodziła się w chmurze gęstego gazu pochodzącego z pierścieni gazowych otaczających jądra zbliżających się galaktyk. Van Dokkum i jego współpracownicy wyjaśnili, że dalsze obserwacje za pomocą JWST mogą potwierdzić to odkrycie i wykazać, że „bezpośrednie” powstanie SMBH w wyniku gwałtownego zapadnięcia się grawitacyjnego jest możliwe w ekstremalnych warunkach. Swobodne czarne dziury – Największym zaskoczeniem było to, że ta konkretna czarna dziura nie znajdowała się w żadnym z dwóch centrów, ale pośrodku. Zadaliśmy sobie pytanie: jak to zrozumieć? – napisał w komunikacie prasowym van Dokkum. Dodał, że odkrycie czarnej dziury, która nie znajduje się w sercu masywnej galaktyki, jest samo w sobie niezwykłe, ale jeszcze bardziej niezwykła jest historia tego, jak mogła się tam znaleźć. – Prawdopodobnie nie tylko się tam znalazła, ale powstała właśnie tam. I to całkiem, jak na kosmiczne warunki, niedawno. Innymi słowy, uważamy, że jesteśmy świadkami narodzin supermasywnej czarnej dziury – czegoś, czego nigdy wcześniej nie widziano – przekonuje badacz. – To ekscytujące odkrycie, które – mam nadzieję – pociągnie za sobą kolejne – mówi prof. Łukasz Wyrzykowski, astronom związany m.in. z Obserwatorium Uniwersytetu Warszawskiego. Profesor Wyrzykowski nie brał udziału w badaniach prowadzonych przez van Dokkuma. Wyjaśnia jednak, że istnieje też inna możliwość powstania opisywanej supermasywnej czarnej dziury. Może ona należeć do grona „błąkających się” SMBH, które zostały wyrzucone ze swojej galaktyki macierzystej. – Wiemy, że w centrach galaktyk, które przeżyły złączenie z inną galaktyką, znajduje się nie jedna, lecz dwie SMBH. Zdarza się, że w wyniku grawitacyjnego tańca obiektów w centrach galaktyk, jedna z nich może zostać wystrzelona w przestrzeń międzygalaktyczną. Może więc po prostu przemieszczać się przez kosmos, choć z naszego punktu widzenia wydaje się związana ze wspomnianymi wcześniej pierścieniami łączących się galaktyk Infinity – tłumaczy naukowiec. Dodaje jednak, że jeśli SMBH w galaktyce Infinity powstała bezpośrednio z zapadania się obłoku molekularnego, byłby to przełom w badaniach nad genezą tego typu obiektów w młodym Wszechświecie. Teorie lekkich i ciężkich ziaren Istnieją dwie teorie wyjaśniające powstawanie czarnych dziur. Są to teorie „lekkich i ciężkich ziarenek”. Scenariusz lekkich ziaren zaczyna się od czarnych dziur o masie gwiazdowej, które powstają, gdy masywne gwiazdy eksplodują jako supernowe, a ich jądro zapada się. Tego typu czarne dziury mogą mieć masę do 1000 mas Słońca, a może nawet więcej. Jeśli wystarczająca ich liczba skoncentruje się w jednym obszarze, kolejne fuzje z czasem mogą utworzyć SMBH. – Problem polega na tym, że proces łączenia się zajmuje dużo czasu, a przecież Webb odkrył niezwykle masywne czarne dziury w niezwykle wczesnym okresie istnienia Wszechświata. Być może nawet zbyt wczesnym, aby proces ten mógł je wyjaśnić – powiedział van Dokkum. I właśnie tutaj pojawia się scenariusz ciężkich ziaren SMBH o masie do miliona mas Słońca, które powstają w wyniku bezpośredniego zapadnięcia się chmury gazowej. Dzieje się to szybko, bez połączeń mniejszych czarnych dziur ani etapu gwiazdowego. – Problem z tworzeniem czarnej dziury z chmury gazowej polega jednak na tym, że chmury gazowe podczas zapadania się tworzą raczej gwiazdy niż czarne dziury, więc trzeba znaleźć sposób, aby temu zapobiec. Nie jest jasne czy ten proces bezpośredniego zapadania się mógłby zadziałać w praktyce – wyjaśnia van Dokkum. Badania Nieskończoności Van Dokkum twierdzi, że wraz ze swoimi współpracownikami stworzył symulację opartą na obserwacjach naukowych, która wyjaśnia pochodzenie Infinity. Dwie galaktyki dyskowe zderzyły się miliardy lat temu i utworzyły struktury pierścieniowe wokół galaktyk. Zderzenie spowodowało kompresję gazu galaktyk na tyle, że powstała gęsta chmura, która zapadła się bezpośrednio w czarną dziurę. – Istnieje sporo poszlakowych dowodów na taki scenariusz – wyjaśnił van Dokkum. – Obserwujemy duży obszar zjonizowanego gazu, a konkretnie wodoru pozbawionego elektronów, który znajduje się dokładnie pośrodku między dwoma centrami, otaczając supermasywną czarną dziurę. Wiemy również, że czarna dziura aktywnie się powiększa. Dowody na to widzimy w promieniowaniu rentgenowskim z obserwatorium rentgenowskiego Chandra należącego do NASA oraz w falach radiowych z Very Large Array. Niemniej jednak pozostaje pytanie, czy powstała właśnie tam? – Czekamy na kolejne takie przypadki. Bo jeśli teoria powstawania SMBH w wyniku zapadnięcia się chmury gazu jest prawdziwa, to odnajdziemy więcej SMBH o takiej genezie. Dopiero mając szersze dane będziemy mogli śmiało powiedzieć, że właśnie w taki sposób mogły tworzyć się zalążki supermasywnych czarnych dziur – podsumowuje prof. Wyrzykowski. Źródło: The Astrophysical Journal Letters Nasza autorka Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.
Detektory fal grawitacyjnych wykryły połączenie najmasywniejszych czarnych dziur, jakie zaobserwowano tą techniką
To odkrycie jest prawdziwym wyzwaniem dla obowiązujących astrofizycznych modeli ewolucji gwiazd. Trzy detektory fal grawitacyjnych, rozmieszczone w Europie, USA i w Japonii potwierdziły detekcję połączenia się czarnych dziur, które utworzyły obiekt o masie ponad 225 razy większej niż masa naszego Słońca.
Spis treści: Masywny i wirujący układ Zderzenia czarnych dziur Detektor w kształcie L Wirujące czarne dziury Trzy detektory fal grawitacyjnych – zbudowany w USA LIGO, znajdujący się nieopodal Pizy we Włoszech Virgo oraz japoński KAGRA – wykryły połączenie najmasywniejszych czarnych dziur, jakie kiedykolwiek zaobserwowano za pomocą fal grawitacyjnych. Sygnał tegoż połączenia, oznaczony jako GW231123, został zarejestrowany podczas czwartej serii obserwacji sieci LVK 23 listopada 2023 r. Jednak odkrycie to ogłoszono dopiero teraz ze względu na długotrwałe i precyzyjne analizy sygnału. Masywny i wirujący układ Czarne dziury, które zlały się ze sobą miały masę około 103 i 137 razy większą od masy Słońca. Oprócz dużej masy charakteryzują się one również szybką rotacją, co sprawia, że sygnał ten jest wyjątkowo trudny do interpretacji i sugeruje możliwość złożonej historii powstawania. – Odkrycie tak masywnego i szybko wirującego układu stanowi wyzwanie nie tylko dla naszych technik analizy danych, ale będzie miało również znaczący wpływ na badania teoretyczne dotyczące kanałów powstawania czarnych dziur i modelowania fal przez wiele kolejnych lat. W rzeczywistości obecne modele ewolucji gwiazd nie pozwalają na istnienie tak masywnych czarnych dziur, które mogły powstać w wyniku wcześniejszych połączeń mniejszych czarnych dziur – mówi Ed Porter, badacz z laboratorium Astroparticle and Cosmology (APC) CNRS w Paryżu. Zaobserwowano już około 100 połączeń czarnych dziur za pomocą fal grawitacyjnych, które zostały przeanalizowane i udostępnione szerszej społeczności naukowej. Do tej pory najbardziej masywną parą była para GW190521, której łączna masa była znacznie mniejsza i wynosiła „tylko” 140 razy więcej niż masa Słońca. Zderzenia czarnych dziur W jaki sposób detektory fal grawitacyjnych rejestrują takie zdarzenia? Zacznijmy od tego, czym są fale grawitacyjne. Ich istnienie wynika bezpośrednio z ogólnej teorii względności (OTW) Einsteina z 1915 roku. OTW opisuje grawitację nie jako siłę, ale jako zakrzywienie czasoprzestrzeni przez masę i energię. Albert Einstein przewidział, że jeżeli masy poruszają się w sposób przyspieszony (np. dwie krążące wokół siebie czarne dziury), to będą powodować zmarszczki w strukturze czasoprzestrzeni – czyli fale grawitacyjne. Fale grawitacyjne rozchodzą się z prędkością światła, niosą energię i moment pędu. Bardzo słabo oddziałują z materią, co powoduje, że trudno je wykryć. Istnienie fal grawitacyjnych było jedną z najbardziej niezwykłych, a później potwierdzonych prognoz tej teorii, Pierwsza bezpośrednia detekcja fal grawitacyjnych nastąpiła w 2015 roku i została wyróżniona Nagrodą Nobla w 2017. Detektor w kształcie L Tej pierwszej detekcji dokonał amerykański system LIGO. Tylko jak wygląda i działa aparatura, zdolna zarejestrować tego typu zmarszczki? Przede wszystkim używa się do tego interferometru laserowego. Dwa prostopadłe ramiona (np. 4 km każde) tworzą literę „L”. W punkcie połączenia ramion umieszczony jest laser, który dzieli się na dwa promienie i biegnie wzdłuż ramion. Na końcach ramion są zawieszone swobodnie lustra. Promienie odbijają się od luster, wracają i spotykają się ponownie. Jeśli długość ramion się zmieni choćby o ułamek średnicy protonu, układ wykryje to jako interferencję – zmianę wzoru fal. Ale skąd wiemy, co wywołało tę interferencję? Astrofizycy posiadają dokładne modele dla zderzeń czarnych dziur, gwiazd neutronowych itd. Jeśli dany sygnał pasuje do takiego modelu (np. dwóch czarnych dziur o masach 30 i 35 mas Słońca), można z dużym prawdopodobieństwem stwierdzić: „To było zderzenie czarnych dziur w odległości X miliardów lat świetlnych.” Wirujące czarne dziury Jednak to, co upubliczniły właśnie trzy światowe obserwatoria, przesuwa granice zarówno technologii wykrywania fal grawitacyjnych, jak i obecnych modeli teoretycznych. Aby uzyskać dokładne informacje z sygnału, konieczne było zastosowanie modeli teoretycznych uwzględniających złożoną dynamikę szybko wirujących czarnych dziur. – To wydarzenie przesuwa granice możliwości naszych instrumentów i analizy danych do granic obecnego stanu wiedzy – twierdzi dr Sophie Bini, doktorantka w Caltech, wcześniej pracująca na Uniwersytecie w Trento. Dodaje, że jest to doskonały przykład tego, jak wiele możemy się nauczyć dzięki astronomii fal grawitacyjnych – i jak wiele jeszcze pozostaje do odkrycia. – Dzięki najdłuższej jak dotąd serii nieprzerwanych obserwacji i zwiększonej czułości czwarta kampania obserwacyjna LIGO-Virgo-KAGRA dostarcza bezcennych nowych informacji, które pomagają nam lepiej zrozumieć Wszechświat – mówi Viola Sordini, badaczka z Instytutu Fizyki 2 Nieskończoności (IP2I) CNRS w Lyonie i zastępczyni rzecznika Virgo Collaboration. – To ekscytujące odkrycie otwiera nowy sezon wyników, a latem spodziewanych jest wiele kolejnych, a przez następne dwa lata – ciągły strumień nowych odkryć. Po publikacjach następuje udostępnienie danych, co wspiera szerszą społeczność naukową i otwartą naukę. Źródło: EGO Nasza autorka Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.
Wszechświat zaczął się w czarnej dziurze, a Wielkiego Wybuchu nie było? Nowa teoria na temat początku wszystkiego
Nowa teoria fizyków podważa dominującą narrację o Wielkim Wybuchu. Według niej nasz Wszechświat mógł powstać wewnątrz czarnej dziury – bez potrzeby istnienia osobliwości czy ciemnej energii.
Spis treści: Teoria Wielkiego Wybuchu jest niewystarczająca Fizyka kwantowa kontra osobliwość: co tłumaczy teoria odbicia? Czy nowa teoria zostanie potwierdzona? Wielki Wybuch od dawna uchodzi za moment narodzin Wszechświata – chwilę, w której powstały czas, przestrzeń i materia. Jednak nowa teoria, opublikowana w czasopiśmie „Physical Review D”, podważa to założenie. Zespół fizyków sugeruje, że Wielki Wybuch wcale nie był początkiem. Teoria Wielkiego Wybuchu jest niewystarczająca? Według nowej propozycji fizyków Wielki Wybuch nie był początkiem, lecz efektem kolapsu grawitacyjnego bardzo masywnego obiektu – czarnej dziury – a następnie odbicia („bounce”) materii wewnątrz niej. Obowiązujący model kosmologiczny oparty na Wielkim Wybuchu dobrze opisuje ewolucję Wszechświata, ale wymaga wprowadzenia hipotetycznych składowych, takich jak np. ciemna energia czy osobliwość (singularity), w której załamują się prawa fizyki. Nowy model tego nie potrzebuje. Ta nowa „teoria odbicia” nie wymaga wprowadzania żadnych hipotetycznych założeń i według jej twórców jest to jej ogromną zaletą. Zamiast śledzić ekspansję Wszechświata wstecz, rozważa ona stan ultragęstej materii zapadającej się pod wpływem grawitacji. Kluczowy moment następuje, gdy zamiast osobliwości (punktu o nieskończonej gęstości), następuje „odbicie” materii i rozpoczęcie nowej fazy ekspansji – czyli narodziny Wszechświata. Fizyka kwantowa kontra osobliwość: co tłumaczy teoria odbicia? Jednak wcześniej naukowcy, w tym m.in. Stephen Hawking i Roger Penrose, udowadniali że istnienie osobliwości jest nieuchronne. Twórcy nowej teorii twierdzą, że to nieprawda. Argumentują, że poprzednie teorie nie brały pod uwagę fizyki w mikroskali i nie uwzględniały efektów kwantowych. Oni uwzględniają w obliczeniach tzw. zakaz Pauliego, mówiący, że fermiony (cząstki takie jak elektrony czy protony) nie mogą zajmować tego samego stanu kwantowego, co zapobiega nieskończonemu ściskaniu materii. W efekcie dochodzi do „odbicia” zamiast osobliwości. Odbicie zachodzi w ramach znanych teorii: ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej – bez potrzeby dodawania nieznanych pól czy wymiarów. Co więcej, ten mechanizm naturalnie tłumaczy dwie fazy przyspieszonej ekspansji Wszechświata – inflację i późniejsze przyspieszenie związane z ciemną energią – jako efekty fizyki odbicia, niewymagające odrębnych wyjaśnień. To bez wątpienia jedna z najciekawszych teorii kosmologicznych ostatnich lat. Czy nowa teoria zostanie potwierdzona? Według nowej teorii Wszechświat jest minimalnie zakrzywiony, jak powierzchnia kuli. Jeśli przyszłe misje kosmiczne (np. Euclid) to potwierdzą, będzie to silny dowód na poparcie teorii odbicia. Model ten może też rzucić nowe światło na: pochodzenie supermasywnych czarnych dziur, naturę ciemnej materii czy formowanie się galaktyk. Planowane misje kosmiczne, takie jak Arrakhis, mają badać trudno uchwytne struktury galaktyczne, co pomoże zweryfikować nową teorię. Najbardziej rewolucyjne jest jednak założenie, że nasz Wszechświat rozpoczął się wewnątrz czarnej dziury utworzonej w „nadrzędnym” wszechświecie-macierzy. To oznacza, że nie jesteśmy wyjątkowi – wszystko co znamy powstało w wyniku naturalnych cykli grawitacyjnych i kwantowych, a nie z „niczego”. Teoria odbicia wpisuje nasze istnienie w większy, cykliczny porządek kosmiczny. Źródło: Physical Review D Nasza autorka Magdalena Rudzka Dziennikarka „National Geographic Traveler" i „Kaleidoscope". Przez wiele lat również fotoedytorka w agencjach fotograficznych i magazynach. W National-Geographic.pl pisze przede wszystkim o przyrodzie. Lubi podróże po nieoczywistych miejscach, mięso i wino.
Wszechświat wyparuje znacznie wcześniej niż sądzono. Nas to jednak nie dotyczy
Holenderscy naukowcy oszacowali czas życia naszego Wszechświata. Analiza tzw. promieniowania Hawkinga doprowadziła do zaskakującego wniosku. Ostatnie gwiazdy wyparują dużo wcześniej, niż do tej pory zakładano.
Spis treści 10 z 78 zerami – oto nowy wiek Wszechświata w latach Czym jest promieniowanie Hawkinga? Najnowsze badania trzech naukowców z Uniwersytetu Radboud w Nijmegen wskazują, że Wszechświat może zakończyć swoje istnienie znacznie wcześniej, niż dotychczas sądzono. A winne według nich jest powolne wyparowywanie nawet najbardziej trwałych obiektów, takich jak gwiazdy neutronowe. Odpowiada za nie tzw. promieniowanie Hawkinga, jednak dotychczas uważano, że to proces zachodzący tylko w czarnych dziurach. 10 z 78 zerami – oto nowy wiek Wszechświata w latach Według obliczeń astrofizyków z Holandii, ostatnie gwiezdne pozostałości znikną w wyniku procesu promieniowania Hawkinga w ciągu około 1078 lat. Jest to znacznie krótszym okresem w porównaniu do wcześniejszych szacunków wynoszących 101100 lat . Promieniowanie Hawkinga, zaproponowane przez Stephena Hawkinga w 1975 roku, opisuje proces tracenia masy przez czarne dziury. Nowe badania sugerują, że podobny mechanizm może dotyczyć również innych obiektów o silnym polu grawitacyjnym, takich jak białe karły i gwiazdy neutronowe. Obliczenia wykazały, że białe karły, uważane za jedne z najbardziej trwałych ciał niebieskich, mogą ulec „wyparowaniu” właśnie w ciągu 1078 lat. Co zaskakujące, naukowcy odkryli, że gwiazdy neutronowe i czarne dziury o masie gwiazdowej mają podobny czas rozpadu wynoszący około 1067 lat. Choć czarne dziury mają silniejsze pole grawitacyjne, ich budowa sprawia, że część promieniowania ponownie do nich wpada, co spowalnia proces parowania. Czy powinniśmy się martwić? Nie, bo śmierć Wszechświata jest wciąż niewyobrażalnie odległa. Liczba opisująca jego wiek jest większa od największych zdefiniowanych liczb świata i nie ma nawet nazwy. W tak dalekiej przyszłości gwiazd umożliwiających życie takie jakie znamy, już dawno nie będzie. Czym jest promieniowanie Hawkinga? Promieniowanie Hawkinga to teoretyczne zjawisko fizyczne, zaproponowane przez Stephena Hawkinga i polegające na emisji cząstek przez czarne dziury. Wbrew wcześniejszym założeniom, czarne dziury nie są całkowicie „czarne” – genialny fizyk udowodnił, że mogą stopniowo tracić masę i energię. Mechanizm promieniowania opiera się na zasadach mechaniki kwantowej. W pobliżu horyzontu zdarzeń czarnej dziury mogą spontanicznie powstawać pary cząstka-antycząstka. Jedna wpada do czarnej dziury, a druga ucieka w przestrzeń, co z zewnątrz wygląda jak emisja promieniowania. W rezultacie czarna dziura traci masę i z czasem może całkowicie wyparować. Proces ten jest jednak bardzo powolny. Źródło: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Nasza autorka Magdalena Rudzka Dziennikarka „National Geographic Traveler" i „Kaleidoscope". Przez wiele lat również fotoedytorka w agencjach fotograficznych i magazynach. W National-Geographic.pl pisze przede wszystkim o przyrodzie. Lubi podróże po nieoczywistych miejscach, mięso i wino.
Udało się zbudować model bomby z czarną dziurą w środku. Jak to działa?
W 1969 roku Sir Roger Penrose – fizyk i laureat Nagrody Nobla z 2020 roku – zauważył, że cząstka przelatująca bardzo blisko wirującej czarnej dziury zyskuje energię. Kolejny fizyk – Jakow Zeldowicz – stwierdził, że wykorzystując i wzmacniając ten efekt można by stworzyć „bombę czarnych dziur”, uwalniającą tyle energii, co supernowa. Właśnie powstał pierwszy, na szczęście „zabawkowy”, model tego typu bomby.
Spis treści: Teoretyczne rozwiązanie w praktyce Badania profesora Ulbrichta Bomba jak supernowa Generując sygnał z szumu W laboratorium Uniwersytetu Southampton w Wielkiej Brytanii zbudowana została uproszczona wersja bomby z czarną dziurą. Pomysł bazuje na połączeniu obracającego się cylindra i cewek magnetycznych. Jak przekonują naukowcy z Uniwersytetu Southampton – badanie bomby może pomóc nam lepiej zrozumieć prawdziwe czarne dziury. Teoretyczne rozwiązanie w praktyce Bomba z czarnych dziur była przez ponad pół wieku czysto teoretycznym rozwiązaniem, w którym energia jest zwiększana przez czarną dziurę i uwięziona przez otaczające ją lustra, aż do momentu eksplozji. Za pomysłem stał sir Roger Penrose, który wyliczył, że cząstka przelatująca bardzo blisko wirującej czarnej dziury zyskuje energię ze względu na efekt ogólnej teorii względności, który powoduje, że czarna dziura przeciąga i przyspiesza czasoprzestrzeń wokół siebie. Dwa lata później inny fizyk, Jakow Zeldowicz, zrozumiał, że podobny proces może zachodzić na przykład, gdy światło porusza się wokół szybko obracającego się metalowego cylindra. Obliczył, że ten efekt „superradiancji” powinien występować tak długo, jak długo cylinder obraca się z tą samą częstotliwością co światło – ale jest to niewiarygodnie szybkie zjawisko. – Niemożliwe jest obracanie z tak zawrotną prędkością czegokolwiek, co zostało wykonanego z materii – powiedział profesor Hendrik Ulbricht z Uniwersytetu Southampton w Wielkiej Brytanii. To uczony, który stał za budową modelu bomby z czarną dziurą. Badania profesora Ulbrichta Główne zainteresowania badawcze Hendrika Ulbrichta koncentrują się wokół eksperymentalnych testów fundamentalnych teorii za pomocą eksperymentów naziemnych i tych prowadzonych w przestrzeni kosmicznej. Niektóre testy dotyczą zasady superpozycji, która stanowi podstawę mechaniki kwantowej. Inne eksperymenty dotyczą testowania wzajemnego oddziaływania mechaniki kwantowej i grawitacji. Grupa Ulbrichta prowadzi też kwantowe badania eksperymentalne nad przygotowaniem i analizą masywnych układów w stanach nieklasycznych za pomocą różnych technik. Są pionierami tak zwanych lewitujących eksperymentów opto- i magneto-mechanicznych, w których światło i pola magnetyczne są wykorzystywane zarówno do łapania, jak i kontrolowania nano- i mikrocząstek w próżni. Bomba jak supernowa Według idei Zeldovicha, otaczając obracający się cylinder cylindrycznym lustrem, wzmocniona energia może być odbijana i gromadzona w pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego, aż zostanie uwolniona. Bazując na tym profesor Ulbricht uznał, iż można byłoby stworzyć „bombę czarnych dziur”, uwalniającą tyle energii, co supernowa. Działałoby to nawet bez zewnętrznego źródła energii, ponieważ czarna dziura wzmacniałaby niewielkie fluktuacje elektromagnetyczne w samej próżni kosmicznej, skutecznie wytwarzając energię z szumu. Wszystko to pozostawało teoretyczne, aż do chwili, gdy Ulbricht wraz ze swoją grupą badawczą znalazł sposób na zademonstrowanie pętli sprzężenia zwrotnego Zeldovicha przy użyciu obracającego się aluminiowego cylindra i pól magnetycznych. Ulbricht zbudował pierwszy prototyp podczas pierwszego lockdownu Wielkiej Brytanii w 2020 roku. – Wszystko było zamknięte, a ja naprawdę się nudziłem i chciałem coś zrobić. Opracowałem zbudowałem konfigurację i zacząłem przeprowadzać odpowiednie eksperymenty, po czym zobaczyłem wzmocnienie. Byłem tak bardzo podekscytowany, że właściwie można powiedzieć, że uratowało mnie to podczas pandemii – komentuje naukowiec. Generując sygnał z szumu Następnie zwerbował kolegów do zbudowania solidniejszego zestawu eksperymentalnego. Składa się on z obracającego się aluminiowego cylindra napędzanego silnikiem elektrycznym, otoczonego trzema warstwami metalowych cewek wytwarzających pole magnetyczne, które również obraca się wokół cylindra z podobną prędkością. W tym układzie cewki działają jak lustro, a pole magnetyczne jak światło i, zgodnie z przewidywaniami Zeldovicha, wytworzyło to jeszcze większe pole magnetyczne emanujące z cylindra. Ulbricht i jego zespół wykazali, że nawet bez cewek wytwarzających zewnętrzne pole magnetyczne na początku, konfiguracja nadal generowałaby sygnał rozbiegowy w otaczających cewkach, podobnie jak teoretyczny przykład czarnej dziury bez zewnętrznego źródła energii. – Zasadniczo generujemy sygnał z szumu, a to jest to samo, co dzieje się w propozycji bomby z czarną dziurą – wyjaśnia Ulbricht. – Uzyskanie dokładnych pomiarów tego procesu w laboratorium ma realne odzwierciedlenie w fizyce czarnych dziur – mówi profesor Vitor Cardoso z Uniwersytetu Lizbońskiego w Portugalii i jeden z członków grupy Ulbrichta. Chociaż wersja laboratoryjna jest tylko analogiem, może pomóc fizykom zrozumieć, w jaki sposób prawdziwe czarne dziury przekazują energię otaczającym je cząstkom. Mogłoby to pomóc przetestować teoretyczne koncepcje dotyczące niewidocznych jeszcze pól cząstek, takich jak te, które powodują powstanie ciemnej materii. – Superradiancja zamienia czarne dziury w detektory cząstek, i to znacznie lepsze niż Wielki Zderzacz Hadronów w CERN – podsumowuje Cardoso. Pozostaje tylko pytanie, czy testy laboratoryjne na zawsze pozostaną testami? W końcu bomba atomowa początkowo też była tylko rozwiązaniem teoretycznym. Źródło: New Scientist Nasza autorka Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.
Supermasywna czarna dziura przebudziła się z długiego snu. Wysyła tajemniczy sygnał
Około 300 milionów lat świetlnych od Ziemi, w centrum niepozornej galaktyki SDSS1335+0728 w gwiazdozbiorze Panny, nagle uaktywniła się supermasywna czarna dziura. Przez dekady pozostawała w stanie uśpienia, nie zdradzając żadnych oznak aktywności. Tymczasem od 2019 roku zaczęła emitować wyjątkowo silne błyski promieniowania rentgenowskiego, które zarejestrowały teleskopy kosmiczne.
Spis treści: Zaskakujące rozbłyski Czym są erupcje kwaziperiodyczne? Nowe wyzwania dla nauki Należący do Europejskiej Agencji Kosmicznej teleskop XMM-Newton odegrał kluczową rolę w obserwacjach tego zjawiska, pozwalając naukowcom badać jedne z najbardziej energetycznych i tajemniczych wybuchów w kosmosie. Chociaż wiemy, że niemal każda galaktyka skrywa w swoim centrum supermasywną czarną dziurę, to ich cicha i trudna do wykrycia natura sprawia, że są one rzadkimi obiektami badań – zwłaszcza, gdy przez długi czas pozostają nieaktywne. Tak było w przypadku czarnej dziury w SDSS1335+0728. Przez dziesięciolecia nie wykazywała ona żadnej aktywności, aż do momentu, gdy w 2019 roku po raz pierwszy zaobserwowano z niej emisję światła. Wówczas zespół badaczy pod kierunkiem Pauli Sánchez Sáez z Europejskiego Obserwatorium Południowego rozpoczął dodatkowe obserwacje za pomocą teleskopów Swift i eROSITA. Jednak nie zarejestrowano wtedy promieniowania rentgenowskiego. Zaskakujące rozbłyski Dopiero w lutym 2024 roku udało się potwierdzić emisję silnych rozbłysków rentgenowskich. Zespół kierowany przez Lorenę Hernández-Garcíę z Uniwersytetu Valparaíso w Chile odkrył, że wybuchy pojawiają się w niemal regularnych odstępach czasu. Zjawisko to nazwano erupcjami kwaziperiodycznymi (QPE). Są to krótkotrwałe, lecz intensywne rozbłyski, których przyczyny nadal nie są w pełni poznane. – Po raz pierwszy udało nam się zaobserwować takie erupcje w obiekcie, który właśnie się „budzi” – mówi Hernández-García. Jak dotąd zidentyfikowano zaledwie kilka przypadków QPE, a to, co dzieje się w galaktyce SDSS1335+0728, wydaje się wyjątkowe. Dzięki obserwacjom prowadzonym przez teleskopy XMM-Newton, NICER, Chandra i Swift, naukowcy mogli śledzić zmiany jasności czarnej dziury niemal w czasie rzeczywistym. Czym są erupcje kwaziperiodyczne? Czym dokładnie są QPE? W dużym uproszczeniu – to nagłe emisje promieniowania rentgenowskiego powstające w dysku materii otaczającym czarną dziurę. Ten dysk, zwany dyskiem akrecyjnym, tworzy się z materii, która została przechwycona przez ogromną siłę grawitacyjną czarnej dziury. Może to być np. materia z sąsiedniej gwiazdy, choć w przypadku Ansky – bo tak nazwano aktywne jądro galaktyki – nie ma dowodów na zniszczenie żadnej gwiazdy. Jedna z hipotez zakłada, że za erupcje odpowiada mały, nieznany obiekt – być może gwiazda lub mniejsza czarna dziura – który regularnie zakłóca ruch materii w dysku akrecyjnym, powodując gwałtowne zderzenia i wzrost energii. Inna możliwość to gromadzenie się gazu z otoczenia, który następnie zostaje podgrzany i rozpędzony w dysku, prowadząc do emisji błysków. Nowe wyzwania dla nauki Rozbłyski z Ansky mają bezprecedensowe cechy. Jak podkreśla Joheen Chakraborty z MIT, członek zespołu badawczego, każda z erupcji trwa dziesięć razy dłużej i jest dziesięć razy jaśniejsza niż znane dotąd QPE. Co więcej, odstępy między wybuchami wynoszą około 4,5 dnia – najdłużej zaobserwowana kadencja tego typu. Taka intensywność i regularność sprawia, że dotychczasowe modele przestają być wystarczające. – Myśleliśmy, że QPE wynikają z powolnego opadania małych obiektów na większe czarne dziury. Tymczasem dane z Ansky sugerują zupełnie inny mechanizm – podkreśla Chakraborty. Jego zdaniem to zjawisko może być również powiązane z falami grawitacyjnymi, które już niedługo będzie mogła wykrywać planowana misja ESA – LISA. Obserwacje rentgenowskie odgrywają w tym kontekście ogromną rolę. Nie tylko pomagają analizować aktywność czarnych dziur, ale mogą też uzupełniać dane dotyczące fal grawitacyjnych, pozwalając na lepsze zrozumienie, jak funkcjonują i ewoluują te kosmiczne kolosy. Jak podkreślają naukowcy, teleskop XMM-Newton był w tym przypadku niezastąpiony. Dzięki jego czułości możliwe było śledzenie nawet słabych sygnałów między rozbłyskami, co pozwoliło precyzyjnie obliczyć ilość energii uwalnianej przez Ansky. Zagadkowe zachowanie tej czarnej dziury wciąż pozostaje przedmiotem intensywnych badań. Naukowcy mają nadzieję, że dalsze obserwacje rzucą światło nie tylko na naturę kwaziperiodycznych erupcji, ale też na procesy rządzące życiem i aktywnością supermasywnych czarnych dziur. Źródło: ESA Nasza autorka Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.
Czarne dziury jako kosmiczne baterie. Czy przyszłość energetyki kryje się w głębinach Wszechświata?
Czarne dziury to jedne z najbardziej fascynujących i enigmatycznych obiektów we Wszechświecie. Pochłaniają wszystko, co znajdzie się zbyt blisko – nawet światło – i są ucieleśnieniem granic ludzkiego poznania. Jednak poza swoją groźną reputacją, te kosmiczne giganty mogą skrywać potencjał, który w przyszłości pozwoli zasilić cywilizacje rozciągające się na wiele układów planetarnych. Czy to tylko fantazja rodem z science fiction, czy też realna wizja odległej przyszłości?
Spis treści: Naturalne elektrownie we Wszechświecie Penrose i energia z karuzeli Skala Kardaszewa i nasze miejsce w kosmosie Nauka i fantastyka idą ręka w rękę Czarne dziury to nie tylko kosmiczne pułapki. Gdy są otoczone materią – na przykład w centrach galaktyk – stają się źródłem zjawisk o niewiarygodnej sile. Kwazary, czyli aktywne jądra galaktyk zasilane przez supermasywne czarne dziury, emitują więcej energii niż miliardy gwiazd razem wzięte. Jak do tego dochodzi? Kluczem jest ruch obrotowy. Weźmy tzw. czarne dziury Kerra – czyli takie, które obracają się wokół własnej osi. Zostały nazwane na cześć Roya Kerra, nowozelandzkiego matematyka, który w 1963 roku jako pierwszy opisał ich matematyczny model w ramach ogólnej teorii względności Einsteina. Czarne dziury Kerra potrafią wirować niemal z prędkością światła. Ich rotacja zakrzywia przestrzeń wokół nich w zjawisku znanym jako „przeciąganie układu odniesienia”. W praktyce oznacza to, że wszystko, co znajduje się w pobliżu, zostaje porwane przez ten rotacyjny wir – od gazu, przez pył, aż po światło. Naturalne elektrownie we Wszechświecie Zjawiska takie jak kwazary czy mikrokwazary (czyli ich „miniaturowe” odpowiedniki z czarnymi dziurami o masie kilkudziesięciu Słońc) pokazują, że natura znalazła sposób na wydobycie energii z tych obiektów. Gaz i pył wirują wokół czarnej dziury w dysku akrecyjnym, nagrzewając się do milionów stopni i emitując olbrzymie ilości promieniowania. Część materii zostaje wciągnięta za horyzont zdarzeń, ale reszta – dzięki silnym polom magnetycznym – zostaje wyrzucona w przestrzeń kosmiczną w postaci tzw. relatywistycznych dżetów. To właśnie te gigantyczne emisje energii budzą zainteresowanie fizyków. Jeśli natura może to robić, to może człowiek będzie w stanie ją skopiować? Penrose i energia z karuzeli Już w 1969 roku fizyk i laureat Nagrody Nobla z fizyki Roger Penrose zaproponował sposób na wydobycie energii z rotacji czarnej dziury. Jego pomysł – dziś znany jako „proces Penrose’a” – można przedstawić w prostej analogii. Wyobraźmy sobie karuzelę, która obraca się siłą bezwładności. Jeśli rzucimy piłkę w przeciwnym kierunku do jej ruchu, odbije się z większą prędkością, a karuzela zwolni. Część jej energii została przeniesiona na piłkę. Zgodnie z teorią Penrose’a, można „wystrzelić” cząstkę w kierunku obracającej się czarnej dziury tak, aby fragment tej cząstki wrócił z większą energią, odbierając tym samym część rotacyjnej mocy czarnej dziury. To czysta fizyka, a dla nas tu i teraz też czysta fantazja. Ale kto wie, może rozwój technologiczny nam to kiedyś umożliwi. Skala Kardaszewa i nasze miejsce w kosmosie Aby zrozumieć, jak daleko jesteśmy od wykorzystania energii czarnych dziur, warto sięgnąć po tzw. skalę Kardaszowa. To klasyfikacja cywilizacji według poziomu technologicznego opartego na możliwości wykorzystania dostępnej energii: typ I: opanowanie energii dostępnej na własnej planecie, typ II: pełne wykorzystanie energii gwiazdy, typ III: kontrola nad energią całej galaktyki. Ludzkość – według szacunków – znajduje się obecnie na poziomie 0,7. Żeby pozyskać energię z mikrokwazara, potrzebowalibyśmy technologii typowej dla cywilizacji typu II. Energia supermasywnej czarnej dziury? To już domena cywilizacji typu III. Ale nawet gdybyśmy osiągnęli poziom trzeci na skali Kardaszowa, pozyskanie energii z czarnej dziury nadal byłoby olbrzymim wyzwaniem. W naszym Układzie Słonecznym nie ma żadnej czarnej dziury. Najbliższa, Gaia BH1, znajduje się ponad 1500 lat świetlnych od Ziemi. Znajdująca się w samym centrum Drogi Mlecznej supermasywna czarna dziura Sagittarius A*, leży jeszcze dalej – 26 tys. lat świetlnych stąd. Podróż międzygwiezdna, potrzebna do zbliżenia się do tych obiektów, przekracza obecne możliwości technologiczne. Co więcej, samo zbliżenie się do czarnej dziury niesie ryzyko zniszczenia przez jej potężną grawitację i promieniowanie. Nauka i fantastyka idą ręka w rękę Mimo tych przeszkód, rozważania nad energią czarnych dziur nie są stratą czasu. Jak zauważa badacz Jaime Pinochet, takie koncepty rozwijają wyobraźnię, uczą pokory wobec kosmosu i inspirują młodych naukowców. To właśnie w nauce granice „możliwe” i „niemożliwe” nieustannie się przesuwają. Dzięki badaniom nad czarnymi dziurami powstało wiele kluczowych odkryć. W tym jedno z największych: promieniowanie Hawkinga. Profesor Stephen Hawking udowodnił, że czarne dziury nie są całkowicie czarne – emitują cząstki i z czasem wyparowują. To odkrycie wywróciło do góry nogami nasze rozumienie kosmicznej fizyki i pokazało, że nawet najciemniejsze zakątki Wszechświata mogą kryć subtelne źródła energii. Choć dziś pomysł wykorzystywania czarnych dziur jako „kosmicznych baterii” brzmi jak fantastyka naukowa, nie można go całkowicie odrzucić. Historia nauki pokazuje, że wiele rzeczy, które niegdyś wydawały się nierealne – loty kosmiczne, satelity, energia atomowa – stało się częścią naszej rzeczywistości. Już dziś uczeni spekulują, że odległe obce cywilizacje czerpią energię z czarnych dziur. Może więc nadejdzie dzień, w którym ludzkość opanuje siły wirujących czarnych dziur. Do tego czasu jednak warto sięgać myślą poza horyzonty – nawet te zdarzeń – bo to właśnie tam rodzą się wielkie idee. Źródło: Space.com Nasza autorka Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.
W czarnej dziurze może istnieć cały wszechświat. I to nasz własny. Wskazuje na to asymetria wirujących galaktyk
Przegląd nieba wykonany za pomocą Teleskopu Jamesa Webba przyniósł potężną niespodziankę. W kosmosie jest więcej galaktyk obracających się zgodnie z ruchem wskazówek zegara niż przeciwnie. Dlaczego? Jedno z wyjaśnień zakłada, że nasz Wszechświat znajduje się we wnętrzu czarnej dziury.
W tym artykule: Zagadka wirujących galaktyk Dlaczego więcej galaktyk kręci się w jedną stronę? Inne możliwe wyjaśnienie anomalii Kosmos jest pełen tajemnic, a naukowcy ciągle natykają się na nowe, coraz bardziej zaskakujące. Tym razem na trop naprowadził ich JADES, czyli James Webb Space Telescope Advanced Deep Extragalactic Survey. To przegląd głębokiego kosmosu, do wykonania którego posłużył niezawodny, działający już od trzech lat Teleskop Jamesa Webba. Zdjęciom, które zrobił teleskop, przyjrzał się uważnie Lior Shamir, badacz z Kansas State University. Zauważył coś nietypowego. W kosmosie wszystko się kręci – planety, systemy planetarne oraz całe galaktyki. Te ostatnie mogą obracać się z naszego punktu widzenia zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie. A ponieważ zakłada się, że kosmos w dużych skalach jest jednorodny, ilość galaktyk obracających się w obu kierunkach powinna być z grubsza taka sama. Dane zebrane dzięki JADES pokazały jednak, że jest inaczej. Zagadka wirujących galaktyk Lior Shamir skupił się na 263 galaktykach z głębokiego kosmosu. Ich światło potrzebowało od 5 do 10 mld lat, by do nas dotrzeć. Naukowiec wybrał takie galaktyki, w przypadku których mógł bez wątpliwości określić kierunek rotacji. Wtedy na jaw wyszła niespodzianka. Zgodnie z założeniami kosmologicznymi, mniej więcej 130 galaktyk powinno wirować w jedną stronę, drugie zaś 130 w przeciwną. Shamir uzyskał jednak inny wynik. Przeciwnie do ruchu wskazówek zegara obracało się 105 galaktyk, zaś 158 galaktyk – zgodnie z nim. – Różnica jest tak oczywista, że każda osoba może ją dostrzec – uważa Shamir. – Nie potrzeba specjalnych umiejętności ani wiedzy, aby zobaczyć, że te liczby są różne. Dzięki mocy Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba każdy może to zobaczyć – dodaje. Dlaczego więcej galaktyk kręci się w jedną stronę? Naukowiec nie poprzestał na tej obserwacji, którą opisał w artykule opublikowanym w czasopiśmie „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society”. Pokusił się również o jej wyjaśnienie. A raczej dwa wyjaśnienia, z których pierwsze przewraca nasze wyobrażenia o Wszechświecie do góry nogami. – Jedno z wyjaśnień zakłada, że Wszechświat narodził się, obracając się. Zgadza się to z teoriami takimi jak kosmologia czarnej dziury, która postuluje, że cały wszechświat jest wnętrzem czarnej dziury – mówi Shamir. Kosmologia czarnej dziury zakłada, że Wielki Wybuch zaszedł wewnątrz czarnej dziury znajdującej się w innym większym kosmosie. Obserwowalny Wszechświat rozszerza się w środku takiego obiektu. Teoria ta to jedna z hipotez próbujących łączyć mechanikę kwantową i ogólną teorię względności. Jak inne tego rodzaju koncepcje, jest przedmiotem naukowych dyskusji. Shamir uważa, że jego obserwacje dostarczają argumentu, który działa na jej rzecz. Inne możliwe wyjaśnienie anomalii Jednak naukowiec przyznaje, że dysproporcję w ilości galaktyk rotujących w różne strony można wyjaśnić także znacznie prościej. Może ją powodować swoista iluzja obserwacyjna wynikająca z wirowania samej Drogi Mlecznej. Uważa się, że wpływ rotacji naszej własnej galaktyki na prowadzone z Układu Słonecznego obserwacje jest zaniedbywalny. Możliwe jednak, że takie myślenie to błąd. – Jeśli tak jest, będziemy musieli ponownie skalibrować nasze pomiary odległości dla głębokiego Wszechświata – zauważa Shamir. I zwraca uwagę, że ponowna kalibracja pomiarów odległości może wyjaśnić kilka innych nierozwiązanych pytań w kosmologii. Takich jak różnice w tempie rozszerzania się Wszechświata, jakie pojawiają się w zależności od metody pomiaru. Albo wyjątkowo duże galaktyki, które są odkrywane w bardzo młodym Wszechświecie. Źródło: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Kansas State University Nasza autorka Magdalena Salik Dziennikarka naukowa i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Autorka powieści z gatunku fantastyki naukowej, ostatnio wydała „Płomień” i „Wściek”.
Czy to neutrino pochodzi z pierwotnej czarnej dziury? Hipoteza ma związek z teorią Hawkinga
Astrofizycy w lutym opisali wykrycie najbardziej energetycznego neutrina w historii, które zostało zarejestrowane przez detektor cząstek w Morzu Śródziemnym. Teraz naukowcy uważają, że ta cząstka elementarna może być dowodem, który potwierdza koncepcję zwaną „promieniowaniem Hawkinga”.
Spis treści: Potwierdzenie promieniowania Hawkinga Neutrino odkryte w Morzu Śródziemnym Czy pierwotne czarne dziury istnieją? Teoria promieniowania Hawkinga opisuje zjawisko fizyczne, w którym czarne dziury emitują promieniowanie. Powoduje to ich bardzo powolną utratę masy i ostatecznie prowadzi do „wyparowania” tych obiektów. Dlatego prof. Stephen Hawking w 1974 roku stwierdził, że czarne dziury w rzeczywistości nie są aż tak „czarne”. W jednej ze swoich książek napisał: „Czarne dziury nie są wiecznymi więzieniami. Można się z nich wydostać zarówno w tym Wszechświecie, jak i – być może – także w innym”. Potwierdzenie promieniowania Hawkinga Jeżeli przyjmiemy, że słynny brytyjski fizyk miał rację, neutrino, które odkryto w Morzu Śródziemnym, mogło pochodzić z parowania pierwotnej czarnej dziury powstałej krótko po Wielkim Wybuchu. Tak przynajmniej twierdzi para naukowców, Andrea Boccia i Fabio Iocco, którzy nie byli zaangażowani w odkrycie neutrina, ale postanowili zbadać jego genezę. Swoją pracę opublikowali w serwisie preprintów arXiv, co oznacza, że artykuł nie został jeszcze zrecenzowany. Słowem wyjaśnienia – neutrino to bardzo lekka cząstka elementarna, która należy do rodziny leptonów. Jest elektrycznie obojętne, czyli nie ma ładunku elektrycznego i ma niezwykle małą masę, choć przez długi czas uważano, że może w ogóle jej nie mieć. Neutrino ponadto bardzo słabo oddziałuje z innymi cząstkami. Te cząstki elementarne przenikają na Ziemię niemal niezauważone. Do wykrywania istnienia neutrin zaprojektowano ogromne detektory, które ukryto głęboko pod powierzchnią ziemi, m.in. w Morzu Śródziemnym. Neutrino odkryte w Morzu Śródziemnym Neutrino, o którym mowa zostało wykryte przez detektor KM3NeT w 2023 roku, ale dopiero niedawno na łamach „Nature” opublikowano szczegółowe prace na jego temat. Okazało się, że cząstka elementarna miała energię ok. 220 PeV (220 milionów miliardów elektronowoltów), czyli o 10–20 razy większą od jakiegokolwiek wcześniej wykrytego neutrina. Andrea Boccia i Fabio Iocco zaproponowali hipotezę, która sugeruje, że to neutrino jest sygnaturą parującej czarnej dziury. – Biorąc pod uwagę charakterystykę mechanizmu parowania czarnych dziur, każdy obiekt zdolny do wytwarzania cząstek w zakresie energii wykrytego zdarzenia (około 100–800 PeV) musi mieć masę poniżej 10 tys. kg. Żaden znany mechanizm astrofizyczny nie jest w stanie wytworzyć czarnych dziur o tak niskiej masie. To oznacza, że jedynym możliwym kandydatem są pierwotne czarne dziury – napisali w swojej pracy naukowcy. Czy pierwotne czarne dziury istnieją? Pierwotna czarna dziura to hipotetyczny typ czarnych dziur, który mógł powstać tuż po Wielkim Wybuchu. W odróżnieniu od normalnych czarnych dziur, nie powstały one w procesie grawitacyjnego zapadania się masywnych gwiazd, ale bezpośrednio z niezwykle gęstej materii obecnej w pierwszej fazie ekspansji Wszechświata. Teoretycznie nie ma ścisłej górnej granicy masy pierwotnych czarnych dziur. Zależy to przede wszystkim od warunków we wczesnym Wszechświecie. Co do zasady, wszystkie znane czarne dziś dziury są bardzo masywne. Najmniejsze są co najmniej kilka razy masywniejsze od Słońca. Zakładając jednak, że nawet najmniejsze znane czarne dziury potrzebują ponad 10100 lat, aby wyparować, to jeśli neutrino zarejestrowane przez KM3NeT jest wynikiem eksplozji czarnej dziury, musiałaby być ona znacznie, ale to znacznie mniejsza. Chodzi o masę zaledwie 104 kg, czyli 10 tys. kilogramów. Czarne dziury o masie 104 kg mają czas parowania rzędu 2,1 x 1010 lat, co jest porównywalne z wiekiem Wszechświata (ok. 1,38 x 1010 lat). W standardowym modelu promieniowania Hawkinga większość z nich mogłaby już wyparować. Jednak ostatnie badania sugerują, że mechanizmy kwantowe mogą spowolnić ten proces, wydłużając ich czas życia aż do dziś. Tak mała pierwotna czarna dziura mogłaby przetrwać miliardy lat, zanim ostatecznie by eksplodowała, wysyłając w kierunku naszej planety neutrino o bardzo wysokiej energii, które właśnie zostało zidentyfikowane. Jeżeli ta hipoteza by się potwierdziła, teoria prof. Hawkinga mogłaby zostać poparta dodatkowymi, pośrednimi dowodami. Choć należy zaznaczyć, że promieniowanie Hawkinga wciąż czeka na potwierdzenie obserwacjami. Źródło: LiveScience Nasz autor Jakub Rybski Dziennikarz, miłośnik kina niezależnego, literatury, ramenu, gier wideo i dobrego rocka. Wcześniej związany z telewizją TVN24 i Canal +. Zawodowo nie boi się podejmować żadnego tematu, prywatnie bardzo zainteresowany polityką. Autor bloga na Instagramie "Mini Podróże".
Czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej emituje ciągły strumień rozbłysków. Jest niczym kula dyskotekowa
Zespół astrofizyków uzyskał jak dotąd najdłuższe i najbardziej szczegółowe spojrzenie na czarną dziurę czającą się w samym środku Drogi Mlecznej. Okazało się, że ciągle emituje ona rozbłyski.
Spis treści: Aktywne centrum Galaktyki Rozbłyski dysku akrecyjnego Ekstremalne środowisko czarnej dziury Opóźnienie czasowe Analizując dane zebrane przy pomocy Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) naukowcy dostrzegli, że składający się z pyłu i gazu dysk orbitujący wokół supermasywnej czarnej dziury w centrum naszej Galaktyki emituje bez przerwy ciągły strumień rozbłysków. Niektóre z nich można określić jako słabe, trwające zaledwie kilka sekund migotania. Inne przypominają raczej oślepiająco jasne erupcje. Wszystko to dzieje się w niejednolitych odstępach czasu. Aktywne centrum Galaktyki – Sądzimy, że tego typu rozbłyski występują we wszystkich supermasywnych czarnych dziurach. Mimo to Sagittarius A*, czyli czarna dziura w centrum naszej Galaktyki, wydaje się być wyjątkowa – powiedział kierujący badaniami prof. Farhad Yusef-Zadeh z Northwestern University. Dodał, że Sagittarius A* jest zawsze bardzo aktywna i wydaje się nigdy osiągać „spokojnego” stanu. – Obserwowaliśmy tę czarną dziurę wielokrotnie w latach 2023 i 2024 i zauważyliśmy zmiany w każdej obserwacji. Za każdym razem widzieliśmy coś innego, co jest naprawdę niezwykłe. Nic nigdy nie było takie samo – twierdzi badacz. Do zebrania niezbędnych danych zespół wykorzystał kamerę bliskiej podczerwieni JWST (NIRCam). Może ona jednocześnie i przez długi czas obserwować dwa pasma podczerwieni. Za pomocą tego narzędzia do obrazowania naukowcy obserwowali Sagittarius A* łącznie przez 48 godzin w ciągu jednego roku. Umożliwiło to naukowcom śledzenie zmian czarnej dziury w czasie. Rozbłyski dysku akrecyjnego Obserwacje te ujawniły nieustanne fajerwerki o różnej jasności i czasie trwania. Dysk akrecyjny otaczający czarną dziurę generował od pięciu do sześciu dużych rozbłysków dziennie i kilka mniejszych rozbłysków pomiędzy nimi. – Dane pokazywały coś, co przypominało nieustannie zmieniającą się, bulgoczącą jasność. I nagle bum – jakby wybuch. Następnie znowu chwila względnego spokoju. Nie mogliśmy znaleźć wzorca w tej aktywności. Wydaje się ona być przypadkowa. Profil aktywności czarnej dziury był nowy i ekscytujący za każdym razem, gdy na niego patrzyliśmy – powiedział prof. Yusef-Zadeh. Chociaż astrofizycy nie rozumieją jeszcze w pełni zachodzących procesów, prof. Yusef-Zadeh podejrzewa, że za krótkie wybuchy i dłuższe rozbłyski odpowiadają dwa odrębne procesy. Jeśli dysk akrecyjny przyrównamy do rzeki, to krótkie, słabe rozbłyski są jak małe fale, które zmieniają się losowo na powierzchni rzeki. Natomiast te dłuższe, jaśniejsze rozbłyski przypominają bardziej fale pływowe. Naukowcy z grupy prof. Yusef-Zadeha sądzą, że niewielkie zaburzenia w obrębie dysku akrecyjnego prawdopodobnie generują słabe rozbłyski. Turbulentne fluktuacje wewnątrz dysku mogą kompresować plazmę (gorący, naładowany elektrycznie gaz), powodując tymczasowy impuls promieniowania. Może to przypominać rozbłysk słoneczny. Ekstremalne środowisko czarnej dziury – Kojarzy się to z sytuacją, gdy pole magnetyczne Słońca gromadzi się, kompresuje, a następnie wybucha rozbłysk słoneczny. Oczywiście procesy te są bardziej dramatyczne, ponieważ środowisko wokół czarnej dziury jest znacznie bardziej energetyczne i ekstremalne. Ale powierzchnia Słońca również kipi aktywnością – twierdzi kierownik zespołu. Prof. Yusef-Zadeh przypisuje duże, jasne rozbłyski zdarzeniom rekoneksji magnetycznej. To proces, w którym zderzają się dwa pola magnetyczne, uwalniając energię w postaci przyspieszonych cząstek. Poruszając się z prędkością bliską prędkości światła, cząstki te emitują jasne wybuchy promieniowania. W związku z tym, że kamera NIRCam JWST może obserwować dwie różne długości fal (2,1 i 4,8 mikrona) w tym samym czasie, uczeni byli w stanie porównać, jak jasność rozbłysków zmieniała się w zależności od długości fali. Prof. Yusef-Zadeh powiedział, że uchwycenie światła o dwóch długościach fal jest jak „widzenie w kolorze zamiast w czerni i bieli”. Pozwoliło to dostrzec, że zdarzenia obserwowane na krótszej długości fali zmieniły jasność nieznacznie przed zdarzeniami o większej długości fali. Opóźnienie czasowe – Po raz pierwszy zaobserwowaliśmy opóźnienie czasowe w pomiarach na różnych długościach fal. Zauważyliśmy, że dłuższa długość fali pozostaje w tyle za krótszą o bardzo niewielką wartość – może od kilku sekund do 40 sekund – powiedział prof. Yusef-Zadeh. To opóźnienie dostarczyło więcej wskazówek na temat procesów fizycznych zachodzących wokół czarnej dziury. Jednym z wyjaśnień jest to, że cząstki tracą energię w trakcie rozbłysku – szybciej na krótszych długościach fal niż na dłuższych. Takie zmiany są oczekiwane w przypadku cząstek spiralnie poruszających się wokół linii pola magnetycznego. Planowane są dalsze obserwacje Sagittarius A*, które mają dać kolejne wskazówki. Źródło: EurekAlert! Nasza autorka Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Związana z magazynami portali Gazeta.pl oraz Wp.pl. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.
Pędzi na nas supermasywna czarna dziura. W przyszłości zderzy się z jądrem Drogi Mlecznej
Ma masę około 600 tys. razy większą od masy Słońca i jest ukryta głęboko w karłowatej galaktyce Wielkiego Obłoku Magellana. Ponieważ Wielki Obłok Magellana krąży wokół Drogi Mlecznej po stale zamykającej się pętli, w pewnej chwili dojdzie do zderzenia obu galaktyk. A co za tym idzie – uderzy w nas supermasywna czarna dziura.
Spis treści: Jak wykryć coś, czego nie widać? Problem trzech ciał Obiekt o masie 600 tys. mas Słońca Supermasywne czarne dziury (ang. SMBH) znajdują się w centrach większości galaktyk, w tym naszej Drogi Mlecznej. Ich masy wahają się od milionów do nawet miliardów mas Słońca. Hipoteza o istnieniu takich obiektów pojawiła się w latach 60. XX wieku, gdy astronomowie zaczęli badać kwazary – niezwykle jasne źródła energii w odległym Wszechświecie. Bezpośrednie dowody na SMBH w centrum Drogi Mlecznej, znanej jako Sagittarius A*, dostarczyły prowadzone w latach 90. XX wieku obserwacje ruchów gwiazd. Jak wykryć coś, czego nie widać? Tego typu obiekty nie są łatwe do wykrycia. O ile nie pochłaniają aktywnie materii, który to proces generuje światło, ponieważ materiał jest przegrzewany przez tarcie i grawitację, nie emitują one żadnego wykrywalnego promieniowania. Oznacza to, że naukowcy poszukujący czarnych dziur muszą posługiwać się różnorodnymi metodami pośrednimi. A podstawową z nich jest pomiar nietypowych orbit. To właśnie dzięki dokładnemu badaniu orbit w centrum Drogi Mlecznej astronomowie potwierdzili istnienie i masę Sagittariusa A*, supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w centrum Drogi Mlecznej. Masa Sagittariusa A* wynosi około 4,3 milionów mas Słońca. Jednak astrofizyk Jiwon Jesse Hana z Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) i jego koledzy wybrali inną metodę. Zamiast na nietypowych orbitach, ich badania skupiły się na innym rodzaju ruchu gwiazd: gwiazdach nadszybkich. To rzadkie obiekty, które poruszają się znacznie szybciej niż średnia prędkość innych gwiazd w ich galaktyce. Tak szybko, że mogą nawet uciec w przestrzeń międzygalaktyczną. Problem trzech ciał Właśnie sposób, w jaki gwiazdy te są przyspieszane, doprowadził naukowców do wniosku, że mogą one wskazywać na istnienie w ich pobliżu ukrytych czarnych dziur. To przyspieszenie znane jest jako mechanizm Hillsa, czyli oddziaływanie trzech ciał pomiędzy czarną dziurą i dwiema gwiazdami. Ostatecznie grawitacyjny taniec doprowadzi do tego, że jeden z członków tego tripletu zostanie wyrzucony w przestrzeń kosmiczną z nadszybkością. Teleskop kosmiczny Gaia, którego misja obserwacyjna została niedawno zakończona, spędził kilka lat w przestrzeni kosmicznej, mapując obiekty Drogi Mlecznej. W tym ich pozycje w przestrzeni trójwymiarowej, a także ruchy i prędkości ciał Drogi Mlecznej. Właśnie dane z programu Gaia posłużyły grupie prowadzonej przez dr Hana do przeprowadzenia nowej analizy 21 gwiazd o nadszybkościach. Wszystkie znajdują się w zewnętrznym halo galaktyki i są zgodne z mechanizmem Hillsa. Również wszystkie należą do podtypu B – ogromnych i gorących gwiazd o stosunkowo krótkim czasie życia. A to oznacza, że ich hiperszybkie podróże w przestrzeni kosmicznej również musiały być stosunkowo krótkie. Analiza przeprowadzona przez naukowców z Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics obejmowała prześledzenie prędkości i ruchu gwiazd do ich punktu początkowego, starannie wykluczając inne możliwe scenariusze przyspieszenia. W ten sposób udało się określić ruch 16 gwiazd. Siedem z nich powstało w pobliżu Sgr A*, w centrum Drogi Mlecznej. Obiekt o masie 600 tys. mas Słońca Pozostałe dziewięć analizowanych gwiazd wydaje się pochodzić z Wielkiego Obłoku Magellana. I wiele wskazuje na to, że zostały one wyrzucone w zewnętrzne rejony za pomocą mechanizmu Hillsa. Według analiz mógł tego dokonać obiekt o masie około 600 tys. mas Słońca, czyli ukryta czarna dziura. Przypomnijmy, że Wielki Obłok Magellana krąży obecnie wokół Drogi Mlecznej w odległości około 160 tys. lat świetlnych. Galaktyka ta nieustannie i powoli opada na Drogę Mleczną. Jednak ten taniec będzie trwał – według szacunków – jeszcze dwa miliardy lat. Gdy obie galaktyki się połączą, supermasywna dziura w Wielkim Obłoku Magellana dotrze do centrum Drogi Mlecznej. Tam połączy się z Sgr A*, tworząc jeszcze większą czarną dziurę. Tego typu kosmiczne wydarzenia, jak zderzenia supermasywnych czarnych dziur są rzadkie, ponieważ wymagają połączenia się dwóch galaktyk. Proces ten może trwać setki milionów lat, ale dzięki falom grawitacyjnym wykrywanym przez obserwatoria takie jak LIGO i Virgo, naukowcy mogą śledzić łączenie się mniejszych czarnych dziur, co daje wgląd w ewolucję SMBH. W przyszłości kosmiczne obserwatorium fal grawitacyjnych LISA (Laser Interferometer Space Antenna) pomoże wykrywać fale grawitacyjne z jeszcze większych układów, co pozwoli lepiej zrozumieć dynamikę tych kolosalnych zjawisk. Źródło: ScienceAlert Nasza autorka Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Związana z magazynami portali Gazeta.pl oraz Wp.pl. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.
Polscy naukowcy obalili sensacyjną hipotezę. Pomogły obserwacje 80 mln gwiazd
W zeszłym roku w prestiżowym czasopiśmie „Nature” ukazała się przełomowa praca polskich astronomów. Dotyczyła teorii zakładającej, że ciemna materia – jedna z największych zagadek kosmosu – może składać się z pierwotnych czarnych dziur. O badaniach Polaków w naszym podkaście opowiada dr Przemysław Mróz z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego, członek zespołu OGLE, pierwszy autor artykułu.
Spis treści: Skąd wiadomo, że istnieje ciemna materia? Co to są pierwotne czarne dziury? Czy ciemna materia może składać się z pierwotnych czarnych dziur? Co to jest mikrosoczewkowanie grawitacyjne? Badania, które obaliły ważną hipotezę Czym jest ciemna materia? Naukowcy zadają sobie to pytanie od prawie stu lat. Materia barionowa – czyli „zwykła” materia składająca się z atomów, którą widzimy wokół siebie i z której sami jesteśmy zbudowani – stanowi zaledwie 5% całkowitej masy i energii we Wszechświecie. Żeby wyjaśnić pozostałe 95%, posługujemy się takimi terminami jak ciemna materia i ciemna energia. Ciemna materia to jest materia, która oddziałuje tylko za pośrednictwem grawitacji. Nie emituje żadnego promieniowania, a więc również światła. Na jej istnienie wskazuje np. ruch gwiazd w galaktykach. Czym dalej od centrum, tym gwiazdy powinny poruszać się wolniej (tak jak planety w Drodze Mlecznej). Tam się jednak nie dzieje. Skąd wiadomo, że istnieje ciemna materia? – Merkury, który jest najbliższą Słońcu planetą, porusza się dosyć szybko, ze średnią prędkością około 50 km na sekundę wokół Słońca – opowiada dr Mróz. – Neptun, który jest najdalszą planetą, porusza się wolniej, bo działa na niego mniejsza siła grawitacji, z prędkością mniej więcej 5 km na sekundę. Czyli generalnie spodziewamy się, że im dalej jesteśmy od ciała, które nas przyciąga, tym powinniśmy się poruszać z mniejszą prędkością – wyjaśnia naukowiec. W galaktykach ta zasada jest złamana. Prędkości gwiazd w centrum są takie same jak tych bardziej oddalonych od środka. To jeden z dowodów wskazujących na istnienie jakieś istnienie dodatkowego, nieznanego źródła siły grawitacji. – Tak naprawdę zauważyliśmy, że nasze równania grawitacji nie są prawidłowe. Żeby uzyskać zgodność pomiędzy obserwacjami a teorią, postulujemy istnienie ciemnej materii jako niewidzialnego składnika naszego Wszechświata – mówi naukowiec. Co to są pierwotne czarne dziury? W latach 70. Steven Hawking, znany brytyjski fizyk teoretyk, postulował, że w bardzo młodym Wszechświecie, kiedy jeszcze nie istniały żadne gwiazdy ani nawet atomy, materia miała formę zupy cząstek elementarnych. Mogła wówczas zapaść się pod wpływem grawitacji, tworząc czarną dziurę. To są tak zwane pierwotne czarne dziury – takie, które powstały na samym początku istnienia Wszechświata wskutek zapadania się zgęstek materii pod ich własnym ciężarem. – Pierwotne czarne dziury to są obiekty hipotetyczne: nikt ich nie zaobserwował i nie potwierdził ich istnienia – opowiada dr Mróz. – W zasadzie nie ma żadnych ograniczeń na ich masy. To oznacza, że te obiekty mogą być bardzo małe, o masach planet, albo gigantyczne, o masach dziesiątek, setek czy nawet tysięcy mas Słońca. Czy ciemna materia może składać się z pierwotnych czarnych dziur? A może to właśnie pierwotne czarne dziury stanowią ciemną materię? Taka hipoteza zrobiła się popularna w ostatnich latach. Dlaczego? – Mamy jeden rodzaj kosmicznych obiektów, który mógłby być wyjaśnieniem dwóch wielkich zagadek współczesnej astronomii. To ciemna materia oraz fale grawitacyjne odkrywane w ostatnich latach w detektorach takich jak LIGO i VIRGO – wyjaśnia dr Mróz. Od kiery po raz pierwszy zarejestrowano fale grawitacyjne – w 2015 r. – tych detekcji zanotowano już kilkaset. Dlatego właśnie wielu astronomów i fizyków zaczęło rozważać możliwość, że to pierwotne czarne dziury są źródłem dodatkowej siły grawitacji w galaktykach. Teoria ta została jednak właśnie obalona przez Polaków, a pomogły w tym okrycia samego Alberta Einsteina. Co to jest mikrosoczewkowanie grawitacyjne? – Istnieje zjawisko przewidziane jeszcze przez Alberta Einsteina i jego teorię względności, które mówi nam, w jaki sposób można wykryć ciemne nieświecące obiekty. To jest tak zwane zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego – opowiada dr Mróz. Idea soczewkowania grawitacyjnego polega na tym, że promienie światła mogą być ugięte w pobliżu masywnych obiektów takich jak gwiazdy czy czarne dziury. Jeżeli zdarzy się, że pomiędzy nami na Ziemi a odległym źródłem światła pojawi się trzeci obiekt, tak zwana soczewka, to jej grawitacja zadziała na promienie świetlne dochodzące ze źródła. Zostaną one wzmocnione i skupione. Można to wykryć, prowadząc obserwacje astronomiczne. Badania, które obaliły ważną hipotezę – Jeżeli prawdziwa byłaby hipoteza, że ciemna materia składa się z czarnych dziur, to tych czarnych dziur musiałoby być bardzo dużo w Drodze Mlecznej – opowiada dr Mróz. – A więc musielibyśmy obserwować bardzo dużo zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego spowodowanych przez te obiekty. To była zasadnicza idea naszej pracy, którą opublikowaliśmy kilka miesięcy temu. Polacy obserwowali dwie galaktyki, Wielki i Mały Obłok Magellan. Są one widoczne tylko z półkuli południowej. – Obserwowaliśmy ponad 80 milionów gwiazd znajdujących się w tych dwóch galaktykach przez ponad 20 lat. Sprawdziliśmy, czy obserwujemy zjawiska tymczasowego pojaśnienia wywołane obecnością potencjalnych czarnych dziur w ciemnej materii – mówi naukowiec. Co wykazały badania Polaków? – Gdyby cała ciemna materia składała się z czarnych dziur o masach 10-100 mas Słońca, spodziewalibyśmy się kilkaset zjawisk mikrosoczewkowania. Obserwacje wskazały jednak, że tych zjawisk jest znacznie mniej. Wykryliśmy tylko 13 zjawisk, dokładnie tyle, ile spodziewamy się od gwiazd w galaktyce naszej i sąsiednich – mówi dr Mróz. A to wskazuje, że ciemna materia nie może składać się z czarnych dziur o masach mniej więcej od masy Księżyca do kilku tysięcy mas Słońca. Całą rozmowę można wysłuchać w playerze na górze strony. Odcinki naszych wideopodcastów są również dostępne na kanałach National Geographic Polska na YouTube i na Spotify. Źródło: National Geographic Polska Nasza autorka Magdalena Salik Dziennikarka i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Autorka powieści z gatunku fantastyki naukowej, ostatnio wydała „Płomień” i „Wściek”. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com
Astronomowie znaleźli setki ukrytych czarnych dziur. Mogą być ich nawet biliony
Dzięki danym zebranym 40 lat temu naukowcy wytropili setki supermasywnych czarnych dziur kryjących się w chmurach gazów i pyłów. Badacze podejrzewają, że nawet połowa czarnych dziur może być przysłonięta przez takie chmury. I przez to trudna do wykrycia dla ziemskich instrumentów badawczych.
Spis treści: Polowanie na czarne dziury Satelita z lat 80. poprzedniego wieku Droga Mleczna wyglądałaby inaczej Supermasywne czarne dziury mają masę co najmniej 100 000 razy większą od masy Słońca. Ile takich behemotów znajduje się we Wszechświecie? Astronomowie szacują, że miliardy, a być może nawet biliony. Uważają za prawdopodobne, że supermasywna czarna dziura kryje się w centrum każdej galaktyki. Precyzyjne ich policzenie jest jednak trudnym zadaniem. Szkopuł polega na tym, że z samej swojej istoty czarne dziury są niewidoczne. Te obiekty stanowią ekstremalnie silne zakrzywienie czasoprzestrzeni, która pochłania całą materię oraz fotony znajdujące się w pobliżu. Czarne dziury nie świecą więc – świecić może tylko wirujący obłok materii gromadzącej się wokół. Jeśli tak się dzieje, czarną dziurę da się obserwować. Jeśli nie, umyka ona ziemskim instrumentom naukowym. Naukowcy szukają jednak nowych sposobów, które pozwoliłyby im wypatrzeć nawet czarne dziury ukryte za najgęstszymi obłokami materii. Właśnie pochwalili się sukcesem – odkryli setki supermasywnych czarnych dziur dzięki danym zebranym jeszcze w latach 80. poprzedniego wieku. Polowanie na czarne dziury Z czarnymi dziurami wiąże się pewien paradoks. Chociaż są z natury ciemne, mogą być również jednymi z najjaśniejszych obiektów we Wszechświecie. Przypomnijmy sobie wodę w zlewie kręcącą się wokół odpływu. Tak samo na orbitę czarnej dziury wciągana jest otaczająca ją materia. Ekstremalna grawitacja czarnej dziury sprawia, że prędkość wirowania tej materii rośnie. Tarcie powoduje, że obłok silnie się nagrzewa. Po jakimś czasie osiąga temperaturę setek tysięcy stopni i wtedy promieniuje tak jasno, że może przyćmić wszystkie gwiazdy w otaczającej galaktyce. Wcześniej jednak – zanim się nagrzeje – może go w ogóle nie być widać. Drugi problem to położenie czarnej dziury wraz z obłokiem względem Ziemi. „Obłoki gazu i pyłu, które otaczają jasny centralny dysk, mogą z grubsza przybierać kształt torusa, czyli pączka. Jeśli otwór pączka jest skierowany w stronę Ziemi, jasny centralny dysk w jego wnętrzu jest widoczny. Jeśli nie, dysk pozostaje zasłonięty” – można przeczytać na stronach NASA. Satelita z lat 80. ubiegłego wieku Sposobem na wypatrzenie takich czarnych dziur okazało się prowadzenie obserwacji w innym zakresie niż światło widzialne. Torus emituje bowiem światło podczerwone. Obserwacje kosmicznych źródeł promieniowania podczerwonego prowadził należący do NASA satelita IRAS (Infrared Astronomical Satellite). Satelita ten został wystrzelony na orbitę w 1983 roku i pracował tylko przez 10 miesięcy. Naukowcy przejrzeli teraz archiwalne dane z IRASa i wybrali kandydatki na supermasywne czarne dziury. Następnie zestawili wyniki z danymi zgromadzonymi przez ziemskie teleskopy pracujące w świetle widzialnym (to pozwoliło wyeliminować galaktyki, które zostały fałszywie wzięte za czarne dziury). Oraz z danymi z satelity NuSTAR, który z kolei rejestruje promieniowanie rentgenowskie wysokiej energii (emituje je najbardziej rozgrzana część materii wokół czarnej dziury). Droga Mleczna wyglądałaby inaczej Wynik? Naukowcy wytropili setki nowych supermasywnych czarnych dziur, których nie dałoby się dostrzec żadnej inny sposób. Oszacowali też, że około 35% czarnych dziur tego rodzaju może być całkowicie niewidocznych z Ziemi: bo albo ich dyski nie rozgrzały się jeszcze do odpowiednich temperatur, żeby zacząć świecić, albo ich torusy znajdują się względem nas pod złym kątem. Wcześniej uważano, że odsetek wynosi 15%. Możliwe jest jednak – stwierdzili badacze w pracy opublikowanej w czasopiśmie „The Astrophysical Journal” – że sięga nawet 50%. – Niesamowite, jak przydatne okazały się teleskopy IRAS i NuSTAR w tym projekcie, zwłaszcza biorąc pod uwagę, że IRAS działał ponad 40 lat temu – stwierdził Peter Boorman, astrofizyk z Caltechu w Pasadenie w Kalifornii, który kierował badaniami. – To pokazuje wartość archiwalnych danych z teleskopów i korzyść płynącą z jednoczesnego wykorzystywania wielu instrumentów oraz zakresów długości fal światła. Naukowcy są też zdania, że badając supermasywne czarne dziury nową techniką, możemy dowiedzieć się więcej o naszej własnej galaktyce. Czarne dziury wpływają bowiem na wzrost galaktyk, pochłaniając duże ilości materii albo rozpraszając ją. – Gdyby nie było czarnych dziur, galaktyki byłyby znacznie większe – uważa Poshak Gandhi, profesor astrofizyki na Uniwersytecie w Southampton w Wielkiej Brytanii i współautor badania. – Gdybyśmy nie mieli supermasywnej czarnej dziury w naszej Drodze Mlecznej, na niebie mogłoby być znacznie więcej gwiazd – podsumował naukowiec. Źródło: space.com, NASA, The Astrophysical Journal Nasza autorka Magdalena Salik Dziennikarka i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Autorka powieści z gatunku fantastyki naukowej, ostatnio wydała „Płomień” i „Wściek”. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com