 |
| Czarna Dziura - Osobliwość za Horyzontem Zdarzeń |
Pewne rozczarowanie związane było z tym, że zrobiono piękne zdjęcie odległej czarnej dziury, natomiast niestety nie udało się zrobić równie ładnego zdjęcia czarnej dziury w naszej własnej Galaktyce. Wynika to m.in. z tego, że czarna dziura w naszej galaktyce jest mniejsza. Przy niej się coś dzieje. Coś błyska, coś strzela. To też przeszkadzało w uzyskaniu ostrego obrazu. Tamta odleglejsza czarna dziura jest bardzo duża i okazała się najlepszym celem do tych obserwacji. Przez wiele lat w zrobienie tego zdjęcia zaangażowanych było 200 osób, piszących oprogramowanie, analizujących dane. Z naukowego punktu widzenia najbardziej interesujące jest to, że przewidywania tego, co powinniśmy tam zobaczyć, zgodziły się z tym, co w danych się pokazało. To, co widzimy na tym zdjęciu, to tak naprawdę nie jest czarna dziura, to jest cień czarnej dziury. A to, co widać i co przesyła światło do nas, to nie jest sama czarna dziura, tylko rozgrzana materia wokół niej.
Czarna dziura charakteryzuje się tym, że jak światło do niej wpadnie, to już nie wypadnie, gdyż czarna dziura jest ksobna i autystyczna, wszystko wchłania do wnętrza siebie - taka egoistka. Jeżeli mielibyśmy czarną dziurę, wokół której nie ma materii, to nie mielibyśmy szansy jej zauważyć. Może bylibyśmy w stanie stwierdzić jej istnienie, gdyby przeszła przed jakimś świecącym obiektem. Wtedy byśmy zauważyli, jak ona zniekształca jego światło, to się nazywa soczewkowanie. Kiedy mówimy o czarnych dziurach, to paradoksalnie mówimy o obiektach, które są superjasne, czy w ogóle najjaśniejsze we wszechświecie. Czarna dziura przeważnie nie istnieje w całkowitej próżni, tylko wokół niej jest zwykle jakaś materia, która świeci gdy jest pochłaniania przez czarną dziurę. Matematycznie rzecz biorąc, czarna dziura to jest osobliwość. Takie miejsce w przestrzeni, gdzie zgromadziło się tyle materii, że lokalnie w pewnym sensie załamały się prawa fizyki. Masa, która w niej jest, na tyle deformuje przestrzeń, że cokolwiek zbliży się do niej na odległość zwaną horyzontem zdarzeń, to już nie wyleci. Nawet najszybsza rzecz w materialnym świecie, czyli światło.
To są obiekty, które stanowią pewnego rodzaju lokalne deformacje przestrzeni, a z fizycznego punktu widzenia to jest materia, której zrobiło się na tyle gęsto, że coś się z nią stało i wytworzyła taki specyficzny twór. Mamy różne czarne dziury we wszechświecie, a najbardziej oswojony typ to są czarne dziury gwiazdowe. Najmasywniejsze gwiazdy kończą swoje życie bardzo szybko jako supernowe, wybuchają, ich jądro zapada się do czarnej dziury (zwykle o masie większej niż pięć mas naszego Słońca). Jest bardzo gęsto, zachodzą reakcje, przez które to jądro nie może być w równowadze, dochodzi do kolapsu grawitacyjnego, resztki gwiazdy lecą na wszystkie strony. Bardzo często się zdarza, że takie gwiazdy występują wspólnie z innymi gwiazdami w tzw. układach podwójnych. Ta gwiazda przyciąga swojego towarzysza, ale też wyciąga z niego materię, wtedy tworzy się wokół niej obwarzanek tej materii, ta materia szybko się kręci i jest zasysana przez powstałą czarną dziurę. Kanibalizm na wszystkich poziomach. Ta materia bardzo szybko się porusza i świeci. Między innymi w promieniach rentgenowskich, ale też w promieniach radiowych.
Czarna dziura z trzema gorącymi posiłkami dziennie
Astronomowie znaleźli czarną dziurę, która wydaje się żywić w sposób zalecany przez wielu dietetyków. Pochłania bowiem materiał w regularnych odstępach czasu, co dziewięć godzin. Supermasywna czarna dziura w centrum oddalonej o miliony lat świetlnych galaktyce pożera materię co około dziewięć godzin, prawie trzy razy na dobę. Zespół astronomów odnalazł rozbłyski rentgenowskie powtarzające się co około 9 godzin, pochodzące z centrum galaktyki o nazwie GSN 069. Dane uzyskane z obserwatorium rentgenowskiego Chandra i XMM-Newton wskazują, że supermasywna czarna dziura znajdująca się tam zużywa duże ilości materii w regularnych odstępach czasu.
Podczas gdy naukowcy wcześniej odkryli dwie czarne dziury o masie gwiazdowej (ważące około 10 razy więcej, niż Słońce), które czasami przechodzą regularne wybuchy, do tej pory nie wykryto jeszcze takiego zachowania się supermasywnej czarnej dziury. Czarna dziura w centrum GSN 069, położona 250 mln lat świetlnych od Ziemi, ma masę około 400 tysięcy razy większą, niż Słońce. Naukowcy szacują, że zużywa materię równoważną około czterem Księżycom około trzy razy dziennie. Odległość w latach świetlnych oznacza, że informacje jakie posiadamy o tym obiekcie pochodzą z czasów przed 250 milionami lat. Tak jest, że nic nie wiemy o odległym kosmosie jak wygląda aktualnie, a wszystkie dane są czytaniem przeszłości, bardzo odległą w czasie historią.
„Ta czarna dziura ma plan posiłków, jakiego wcześniej nie widzieliśmy. To zachowanie jest tak bezprecedensowe, że musieliśmy wymyślić nowe wyrażenie, aby je opisać: ‘prawie okresowe erupcje rentgenowskie’ (X-ray Quasi-Periodic Eruptions)” – mówi Giovanni Miniutti z ESA Center for Astrobiology w Hiszpanii, pierwszy autor artykułu. XMM-Newton jako pierwszy zaobserwował to zjawisko w GSN 069 po wykryciu dwóch wybuchów 24 grudnia 2018 roku. Następnie Miniutti i jego współpracownicy śledzili kolejne obserwacje XMM-Newton w dniach 16 i 17 stycznia 2019 roku i znaleźli pięć wybuchów. Obserwacje Chandry niecały miesiąc później, 14 lutego 2019, pokazały dodatkowe trzy wybuchy.
„Łącząc dane z tych dwóch obserwatoriów rentgenowskich, śledziliśmy te okresowe wybuchy przez co najmniej 54 dni. Daje nam to wyjątkową okazję do obserwowania przepływu materii do supermasywnej czarnej dziury, która wielokrotnie przyspiesza i zwalnia” – powiedział współautor Richard Saxton z European Space Astronomy Center w Madrycie. Podczas wybuchów promieniowanie X staje się około 20 razy jaśniejsze, niż w czasie ciszy. Wzrasta również temperatura gazu opadającego w kierunku czarnej dziury, od około 500 000 stopni Celsjusza w okresach ciszy do około 1,4 mln stopni C podczas wybuchów. Temperatura tego ostatniego podobna jest do temperatury gazu znajdującego się wokół najaktywniej rosnących supermasywnych czarnych dziur.
Pochodzenie tego gorącego gazu było tajemnicą, ponieważ wydaje się, że jest zbyt gorący, aby można go było skojarzyć z dyskiem opadającej materii, który otacza czarną dziurę. Chociaż jego pochodzenie również jest tajemnicą w GSN 069, zdolność badania supermasywnej czarnej dziury, w której gorący gaz wielokrotnie się formuje, a następnie znika, może dostarczyć ważnych wskazówek. „Uważamy, że źródłem promieniowania X jest gwiazda, którą czarna dziura częściowo lub całkowicie rozerwała na części i powoli konsumuje kawałek po kawałku. Ale jeżeli chodzi o powtarzające się wybuchy, jest to zupełnie inna historia, której pochodzenie należy zbadać przy użyciu dodatkowych danych i nowych modeli teoretycznych” – powiedziała współautorka Margherita Giustini, również z Centrum Astrobiologii ESA.
Spożywanie gazu ze zniszczonej gwiazdy przez supermasywną czarną dziurę było wcześniej obserwowane, ale nigdy nie towarzyszyły temu powtarzalne rozbłyski rentgenowskie. Autorzy sugerują, że istnieją dwa możliwe wyjaśnienia wybuchów. Jednym z nich jest to, że ilość energii na dysku gromadzi się aż stanie się niestabilna i materia gwałtownie wpadnie do czarnej dziury, powodując wybuchy. Następnie cykl się powtórzy. Innym jest interakcja między dyskiem a drugim ciałem krążącym wokół czarnej dziury, być może pozostałością częściowo rozerwanej gwiazdy. Dane z Chandra były kluczowe dla tego badania, ponieważ były w stanie wykazać, że źródło promieniowania X znajduje się w centrum galaktyki gospodarza, czyli tam, gdzie oczekuje się obecności supermasywnej czarnej dziury. Kombinacja danych z Chandra i XMM-Newton sugeruje, że rozmiar i czas trwania posiłków czarnej dziury nieznacznie się zmniejszył a przerwa między posiłkami wzrosła. Przyszłe obserwacje będą miały kluczowe znaczenie dla sprawdzenia, czy trend się utrzyma.
Supermasywne czarne dziury są zwykle większe, niż ta w GSN 069, mając masy milionów a nawet miliardów słońc. Im większa czarna dziura, tym wolniejsze będą jej wahania jasności, więc zamiast wybuchać co dziewięć godzin, powinna wybuchać co kilka miesięcy lub lat, co prawdopodobnie tłumaczy, dlaczego wybuchy prawie okresowe nigdy wcześniej nie były widoczne. Przykłady dużych wzrostów i spadków ilości promieni X wytwarzanych przez czarne dziury zaobserwowano w kilku przypadkach, stosując powtarzane obserwacje przez miesiące lub lata. Zmiany w niektórych obiektach są znacznie szybsze niż oczekiwano w standardowej teorii dysków opadającej materii otaczającej czarną dziurę, ale można je oczywiście uwzględnić, gdyby miały podobne zachowanie do GSN 069.
Czarna dziura połyka gwiazdę neutronową
Naukowcy po raz pierwszy w historii dostrzegli w kosmosie czarną dziurę, która pochłania gęstą gwiazdę neutronową - pozostałość po zwykłej gwieździe. Informuje o tym Australijski Uniwersytet Narodowy (ANU), a gwiazdy neutronowe zwykle mają masy nie wiele większe niźli 2 do 2,5 masy naszego Słońca, zaś ich średnice to zaledwie kilkanaście do kilkadziesiąt kilometrów.
W środę dnia 14 sierpnia 2019 instrumenty wykrywające fale grawitacyjne ze Stanów Zjednoczonych i Włoch - detektory LIGO i Virgo - zarejestrowały charakterystyczne zmarszczki w czasoprzestrzeni. Zostały one zidentyfikowane jako mające związek z gwałtownym zjawiskiem odbywającym się około 8,550 milionów trylionów kilometrów od nas. Susan Scott z ANU Research School of Physics twierdzi, że odkrycie to jest sukcesem zespołu i kolejnym punktem do odhaczenia na jego specyficznej liście życzeń, obejmującej także obserwację połączenia się dwóch czarnych dziur i zderzenie dwóch gwiazd neutronowych.
Wiadomo, że czarna dziura połknęła gwiazdę neutronową dość dawno, bo aż 900 milionów lat temu. Zrobiła to niczym rysunkowy Pacman - w całości i niemal natychmiast ją gasząc. Teleskop optyczny ANU SkyMapper natychmiastowo zareagował na alert o nowej detekcji fal grawitacyjnych, skanując cały prawdopodobnie powiązany z nią obszar przestrzeni, w jakim mogło mieć miejsce zdarzenie. Nie znaleziono tam jednak jego żadnego odpowiednika świecącego w zakresie widzialnym.
Naukowcy wciąż analizują dane, aby potwierdzić dokładny rozmiar dwóch obiektów biorących w nim udział, ale wstępne wnioski wskazują na bardzo duże prawdopodobieństwo czarnej dziury i gwiazdy neutronowej. Wynika to z wcześniejszych obserwacji - nigdy dotąd nie wykryto czarnej dziury mniejszej niż pięć mas Słońca ani gwiazdy neutronowej większej niż około 2,5 masy masy Słońca, z czego można wywnioskować, że to właśnie czarna dziura pochłaniająca klasyczną gwiazdę neutronową. Istnieje też jednak niewielka, ale intrygująca możliwość, że pochłonięty obiekt był bardzo lekką czarną dziurą - znacznie mniej masywną niż jakakolwiek inna czarna dziura, jaką wcześniej znaleziono we Wszechświecie. Ostateczne wyniki mają niebawem zostać opublikowane.
NASA: po raz pierwszy coś opuściło czarną dziurę
Satelity NASA zaobserwowały bardzo dziwne zachowanie supermasywnej czarnej dziury w gwiazdozbiorze Pegaza. Do tej pory powszechnie uważano, że nic nie jest w stanie opuścić czarnej dziury. Jej pole grawitacyjne miało zatrzymywać nawet światło. Badania nad czarnymi dziurami trwają i rodzą wiele wątpliwości oraz nowych ciekawych hipotez na bazie spostrzeżeń. Teraz naukowcy mają kolejną zagwozdkę do rozwiązania, ponieważ po raz pierwszy zauważono, że coś opuszcza czarną dziurę. Zanotowano gigantyczną erupcję promieniowania rentgenowskiego. Pochodziło ze środka supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w gwiazdozbiorze Pegaza, około 324 mln lat świetlnych od Ziemi.
Naukowcy uważają, że wiązkę wystrzeliła tzw. korona. Korony to źródła promieniowania rentgenowskiego gromadzące się wokół czarnych dziur. Nowe odkrycie sugeruje, że korony mogą nagle wystrzelić wiązkę promieniowania z czarnej dziury. Po raz pierwszy udało nam się zarejestrować aktywność korony w postaci błysku. To pomoże nam zrozumieć, w jaki sposób supermasywne czarne dziury zasilają jedne z najjaśniejszych obiektów we wszechświecie - powiedział Dan Wilkins z kanadyjskiego Saint Mary’s University in Halifax.
Czarna dziura w sercu Drogi Mlecznej wydaje się być coraz bardziej głodna
Supermasywna czarna dziura znajdująca się w centrum naszej Galaktyki zwanej Drogą Mleczną staje się coraz bardziej aktywna. W ostatnim czasie pochłonęła nietypowo duże ilości międzygwiezdnego gazu i pyłu, chcoiaż oczywiście, informacja jaka do nas dociera to czasoprzestrzenna odległość około 26 tysięcy lat świetlnych. Badacze nie są pewni, co to oznacza. Sagittarius A* (Sgr A*)- supermasywna czarna dziura w sercu Drogi Mlecznej, zazwyczaj jest mało aktywna. Jednak w maju 2019 roku astronomowie zaobserwowali jaśniejszy obszar w otoczeniu tego ciemnego potwora o nieomal idealnej czerni. Obszar ten niespodziewanie stał się znacznie jaśniejszy, a następnie, w ciągu kilku godzin, przygasł. Coś się zmieniło w otoczeniu Sagittariusa A*, a badacze nie wiedzą do końca co to mogło być. Od zaledwie ponad 20 lat emisje w podczerwieni naszej supermasywnej czarnej dziury będącej w jądrze Galaktyki są monitorowane i wydaje się, że w tym roku stała się ona znacznie bardziej aktywna.
Wyniki ostatnich badań supermasywnej czarnej dziury Sagittarius A* ukazały się na łamach pisma „Astrophysical Journal Letters”. - Od ostatnich 24 lat, czyli od momentu, kiedy zaczęliśmy obserwować supermasywną czarną dziurę, nie widzieliśmy niczego podobnego. Zwykle jest to dość cicha, spokojna czarna dziura na diecie. Nie wiemy, co spowodowało tę wielką ucztę – powiedziała Andrea Ghez z University of California, Los Angeles (UCLA), współautorka badań.
Rozjaśnienie obszaru otaczającego czarną dziurę z 13 maja 2019 było dwukrotnie silniejsze od podobnych tego typu zdarzeń zarejestrowanych wcześniej. Zespół astronomów przeanalizował ponad 13 tysiecy obserwacji wykonanych w ciągu 133 nocy począwszy od 2003 roku. Dane te zostały zebrane przez Obserwatorium W. M. Kecka na Hawajach oraz Very Large Telescope na pustyni Atakama w Chile. Ale w tym 2019 roku były jeszcze dwa inne rozjaśnienia omawianego obszaru, choć nie tak mocne jak to z 13 maja. Jasność otoczenia czarnej dziury zawsze się nieco zmienia, ale naukowcy byli oszołomieni ekstremalnymi zmianami jasności w ostatnim czasie. Ghez przyznała, że wszystkie trzy zdarzenia były bezprecedensowe.
Obserwowana przez badaczy jasny błysk pochodził z dysku materii otaczającej czarną dziurę. Gdy gazy i pyły opadają na czarną dziurę uwalniają gigantyczne ilości energii, które manifestują się w postaci ekstremalnie intensywnego promieniowania elektromagnetycznego, które obejmuje niemal całe spektrum: od fal radiowych po wysokoenergetyczne promieniowanie gamma. Ostatnie obserwacje skłoniły naukowców do zadania sobie pytania, czy było to niezwykłe, szczególne wydarzenie, czy też prekursor znacznie zwiększonej aktywności?
- Najważniejsze pytanie dotyczy tego, czy czarna dziura wkracza w nową fazę. Czy kurek został odkręcony i szybkość opadania gazu do czarnej dziury wzrośnie na dłuższy czas, czy też właśnie zaobserwowaliśmy fajerwerki z kilku niezwykłych zdarzeń? - zaznaczył Mark Morris z UCLA, współautor publikacji.
- Na pierwszym zdjęciu, które widziałem tamtej nocy, czarna dziura była tak jasna, że początkowo pomyliłem ją z gwiazdą S0-2. Nigdy nie widziałem tak jasnego Sagittariusa A* - powiedział Tuan Do, główny autor badania. - Ale szybko stało się jasne, że źródłem musiała być czarna dziura, co było naprawdę ekscytujące – dodał.
Uczeni podejrzewają, że z ostatnimi rewelacjami ma coś wspólnego wspomniana gwiazda S0-2. Ta gwiazda krąży w pobliżu supermasywnej czarnej dziury. Do niedawna znajdowała się na 16-letniej orbicie wokół Sgr A*, ale w zeszłym roku zaliczyła najbliższe podejście do masywnego potwora, co mogło wepchnąć trochę materiału w szczęki czarnej dziury. Być może S0-2 w zeszłym roku zmieniła sposób, w jaki opada gaz na czarną dziurę, powodując wahania w tym procesie.
Inna możliwość dotyczy dziwnego obiektu znanego jako G2. Najprawdopodobniej jest to układ podwójny gwiazd, które zbliżyły się do czarnej dziury w 2014 roku. Możliwe, że czarna dziura mogła zedrzeć zewnętrzną warstwę z G2. To również mogłoby wyjaśnić zwiększoną jasność otoczenia czarnej dziury. Jeszcze inna koncepcja mówi, że za rozjaśnienie odpowiadają duże asteroidy, które zostały wciągnięte do czarnej dziury. Jak to często bywa w astronomii, więcej obserwacji dostarczy nowych informacji umożliwiających uzyskanie satysfakcjonującej odpowiedzi. Czarna dziura Sagittarius A*znajduje się w odległości około 26 tysięcy lat świetlnych od nas i nie stanowi zagrożenia dla naszej planety, chociaż w zasadzie nie wiemy co się z takim obiektem aktualnie dzieje, gdyż o tym na falach światła dowiemy się dopiero za 26 tysięcy lat - jak światło z informacjami do nas przyleci. W astrologii okolica czarnej dziury z centrum Drogi Mlecznej w Strzelcu zwana jest Tronem Arymana - i jak widać słusznie kojarzona z siłami ciemności...
Przy okazji nowoczesnych badań naukowych Instrument GRAVITY, zainstalowany na interferometrze Bardzo Dużego Teleskopu (VLT), zdobył dowody potwierdzające obecność supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej. Badania wskazują jednoznacznie, że Sagittarius A* jest w istocie czarną dziurą. Konsorcjum instytutów europejskich, w tym Europejskie Obserwatorium Południowe, obserwował trzy jasne błyski promieniowania podczerwonego, pochodzące z dysku akrecyjnego wokół Sagittarius A* w centrum naszej galaktyki. Błyski te stanowią potwierdzenie, że mamy do czynienia z supermasywną czarną dziurą.
Astrofizycy zobaczyli obłok gazu, który wiruje z prędkością niemal 30% prędkości światła wokół czarnej dziury. Wspomniane błyski były emitowane z wewnętrznej stabilnej orbity - punktu najbliższego czarnej dziury, gdzie materia nie jest jeszcze wciągana przez potężną grawitacji. Jest to pierwsza obserwacja materii, znajdującej się tak blisko czarnej dziury. Jeszcze w tym roku, astrofizycy analizowali bliskie przejście gwiazdy S2 tuż przy Sagittariusie A* i wtedy również zauważono silną emisję promieniowania podczerwonego. Wszystkie dotychczasowe dowody potwierdzają teorię, że Sagittarius A* jest supermasywną czarną dziurą o masie około 4 milionów mas Słońca - tyle zatem gwiazd wielkości Słońca pożarła czarna dziura w okolicach centrum Galaktyki obserwowanego jako tzw. Tron Arymana w dawnej astrologii.
W Drodze Mlecznej odkryto czarną dziurę wielkości Jowisza
Astronomowie zdobyli dowody, które zdają się potwierdzać istnienie czarnej dziury o masie pośredniej, przemierzającej naszą galaktykę. Odkrycia dokonano z pomocą największego na świecie interferometru radiowego ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array). Oczywiście nie jesteśmy w stanie bezpośrednio zobaczyć czarnej dziury, ale najbliższe otoczenie zdradza obecność tych kosmicznych potworów. Specyficzne ruchy gazów pozwoliły naukowcom z Japońskiego Narodowego Obserwatorium Astronomicznego zlokalizować jedną z nich. Japońscy badacze opublikowali poszlakowe dowody na istnienie czarnej dziury o masie pośredniej, która dryfuje około 20 lat świetlnych od centrum Drogi Mlecznej. Obiekt o nazwie HCN-0.009-0.044 ma masę około 32 tysięcy słońc i jest wielkości Jowisza.
Badacze obserwowali dwie ogromne chmury gazu, położone około 26 tysięcy lat świetlnych od centrum Drogi Mlecznej. Dane uzyskane dzięki instrumentowi ALMA pokazały, że obserwowany gaz wykonuje nietypowe ruchy, zupełnie tak, jakby krążył wokół niewidzialnego obiektu. Na podstawie tych zachowań obliczono, że gaz jest przyciągany przez ciało niebieskie o masie 30 tysięcy mas Słońca, lecz wielkością przypomina Jowisza. Co więcej, obiekt nie odbija światła. W ten sposób ustalono, że najprawdopodobniej mamy do czynienia z czarną dziurą. Z dotychczasowych obserwacji wynika, że czarne dziury o masie gwiazdowej i supermasywne czarne dziury są powszechne w kosmosie. Wciąż jednak nie potwierdziliśmy istnienia czarnej dziury o masie pośredniej, która charakteryzuje się „średnią” masą, a potencjalnie odkryta czarna dziura wielkości Jowisza wpisuje się na bardzo krótką listę kandydatów.
Czarne dziury są niewidoczne dla naszych metod wykrywania dlatego, że promieniowanie elektromagnetyczne nie może uzyskać prędkości ucieczki spoza horyzontu zdarzeń. A jednak jesteśmy w stanie zlokalizować takie obiekty - na podstawie oddziaływań z otaczającą je materią oraz światłem. Wiemy, że istnieją czarne dziury, które powstały w wyniku kolapsu gwiazdy, o masach od kilku do kilkunastu mas naszego Słońca. To tzw. czarne dziur o masach gwiazdowych. Znamy też supermasywne czarne dziury, których masy zaczynają się od około 100 tysięcy mas naszej gwiazdy. Pomiędzy tymi dwoma rodzajami czarnych dziur stoi solidny znak zapytania. Do tej pory dowody na istnienie czarnych dziur o masach pośrednich, czyli takich, które znajdują się gdzieś pośrodku tego zakresu mas, były znikome. Znaleziono szereg obiektów, które są dobrymi kandydatami na czarne dziury o masie pośredniej. Wydaje się, że sytuacja ta uległa zmianie, dzięki astronomom z National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), którzy opisali dowody wskazujące na jeden z tych nieuchwytnych obiektów dryfujących około 20 lat świetlnych od centrum Drogi Mlecznej.
Gwiazda neutronowa, która jest prawie czarną dziurą
W magazynie "Nature Astronomy" można przeczytać o odkryciu astronomów, którzy za pomocą radioteleskopu Green Bank odnaleźli największą znaną dotąd gwiazdę neutronową, która jest tak gęsta, że jest bliska zapadnięcia się i stania się czarną dziurą. Gwiazdy neutronowe to zazwyczaj bardzo małe, mające kilkanaście kilometrów średnicy gwiazdy powstające w wyniku rozpadu gwiazd o dużych masach. Mimo niewielkich rozmiarów gwiazdy neutronowe są bardzo gęste. Odkryta właśnie gwiazda J0740+6620, znajdująca się 4600 lat świetlnych od Ziemi, ma być wyjątkowo duża jak na gwiazdę neutronową - jej masa ma być ponad dwukrotnie większa od masy Słońca (Słońce ma masę 333 tysiecy razy większą od masy Ziemi).
Według naukowców, którzy odkryli gwiazdę, gdyby była ona jeszcze bardziej gęsta, wówczas zapadłaby się i w efekcie powstałaby czarna dziura. Prof. Maura McLaughlin, współautorka artykułu w "Nature Astronomy" wyjaśniła, że gwiazdę odkryto dzięki radioteleskopowi Green Bank, który znajduje się w Wirginii Zachodniej, w USA i zajmuje się wykrywaniem fal grawitacyjnych pulsarów. Masę J0740+6620 ustalono dzięki zjawisku zwanemu opóźnieniem Shapiro - jest to opóźnienie sygnału radiowego pod wpływem grawitacji. Naukowcy byli zaskoczeni swoim odkryciem, które każe zadać pytanie o to, jak masywne mogą być gwiazdy neutronowe. - Te gwiazdy są bardzo egzotyczne. Nie wiemy, z czego się składają, a naprawdę ważne pytanie brzmi: Jak masywne mogą być takie gwiazdy? - mówi prof. McLaghlin.
Gwiazdy neutronowe – zwarte pozostałości masywnych gwiazd, które wybuchły jako supernowe – są najgęstszymi „normalnymi” obiektami w znanym Wszechświecie. (Czarne dziury są gęstsze, ale dalekie od normalności). Jedna kostka cukru zbudowana z materii gwiazdy neutronowej na Ziemi ważyłaby 100 mln ton, czyli mniej więcej tyle samo, co cała ludzka populacja. Chociaż astronomowie i fizycy badali te obiekty od dziesięcioleci i zachwycali się nimi, pozostaje wiele tajemnic dotyczących natury ich wnętrz: czy zgniecione neutrony stają się „nadciekłe” i płyną swobodnie? Czy rozpadają się na zupę subatomowych kwarków lub innych egzotycznych cząstek? Jaki jest punkt krytyczny, gdy grawitacja wygrywa z materią i tworzy czarną dziurę?
Zespół astronomów korzystający z Green Bank Telescope (GBT) zbliżył nas do znalezienia tych odpowiedzi. Naukowcy, członkowie NANOGrav Physics Frontiers Center, odkryli, że szybko rotujący pulsar milisekundowy, zwany J0740+6620, jest najbardziej masywną gwiazdą neutronową, jaką kiedykolwiek zmierzono, ma średnicę 30 km i masę 2,17 mas Słońca. Ten pomiar zbliża go do granicy tego, jak masywny i zwarty może stać się pojedynczy obiekt bez zmiażdżenia się do czarnej dziury. Ostatnie prace dotyczące fal grawitacyjnych zaobserwowanych przez LIGO podczas zderzenia się gwiazd neutronowych sugerują, że 2,17 masy Słońca może znajdować się blisko tej granicy.
Gwiazdy neutronowe są tak samo tajemnicze, jak fascynujące. Te obiekty wielkości miasta to w istocie olbrzymie jądra atomowe. Są tak masywne, że ich wnętrza nabierają dziwnych właściwości. Znalezienie maksymalnej masy, na jaką pozwala fizyka i natura, może nas wiele nauczyć o tym niedostępnym królestwie astrofizyki – mówi Thankful Cromartie, absolwent University of Virginia i doktorant Grote Reber w National Radio Astronomy Observatory w Charlottesville w stanie Wirginia. Pulsary emitują bliźniacze wiązki fal radiowych ze swoich biegunów magnetycznych, które przemierzają przestrzeń kosmiczną w sposób przypominający latarnię morską. Niektóre rotują setki razy na sekundę. Ponieważ pulsary wirują z tak fenomenalną prędkością i regularnością, astronomowie mogą je wykorzystywać jako kosmiczny odpowiednik zegarów atomowych. Tak precyzyjne mierzenie czasu pomaga im badać naturę czasoprzestrzeni, mierzyć masy obiektów gwiazdowych i lepiej rozumieć ogólną teorię względności.
Gdy tykający pulsar przechodzi za swoim towarzyszem białym karłem, występuje subtelne (rzędu 10 milionowych sekundy) opóźnienie czasu nadejścia sygnałów. Zjawisko to znane jest jako „opóźnienie Shapiro”. W istocie, grawitacja białego karła, zgodnie z ogólną teorią względności nieznacznie zakrzywia otaczającą ją przestrzeń. To zakrzywienie oznacza, że impulsy z rotującej gwiazdy neutronowej muszą podróżować nieco dalej, gdy omijają zakrzywienia czasoprzestrzeni wywołane przez białego karła. Astronomowie mogą wykorzystać wielkość tego opóźnienia do obliczenia masy białego karła. Gdy znana jest masa jednego z orbitujących ciał, stosunkowo łatwo jest określić masę drugiego.
Ultramasywna czarna dziura – pasibrzuch z Holm 15A
Gdzieś daleko stąd, 700 milionów lat świetlnych od Drogi Mlecznej, pasie się jedna z największych poznanych kosmicznych bestii. Czarna dziura o masie przekraczającej 40 miliardów Słońc. W numerze The Astrophysical Journal z sierpnia 2019 pojawił się artykuł omawiający niedawne odkrycie astronomów z Instytutu Maxa Plancka w Monachium. Zespół Kianuscha Mehrgana pochwalił się zarejestrowaniem kolosalnej superogromnej czarnej dziury, zalegającej w centrum galaktyki eliptycznej Holmberg 15A. Czy jest to największy z poznanych dotąd obiektów we wszechświecie? Prawdopodobnie nie, ale ma spore szanse na podium i wciąż zasługuje na uwagę. Zresztą, czy którąkolwiek z supermasywnych czarnych dziur można zignorować?
Za obecną rekordzistkę najczęściej uważa się TON 618, o przypuszczalnej masie sięgającej 66 miliardów Słońc. Nasza dzisiejsza bohaterka z Holm 15A prezentuje się nieco skromniej, jednak szacowana masa na poziomie 40 miliardów Słońc również powinna budzić respekt. Mimo dekad obserwacji i tysięcy skatalogowanych obiektów, potwory tej klasy nadal są czymś unikatowym, przerastającym to, co znamy o cały rząd wielkości. I nie mówi się tu o porównywaniu Holm 15A z jakąkolwiek przeciętną czarną dziurą, lecz z kolegami należącymi do “podobnej” kategorii wagowej - superciężkiej.
Pomyślmy o Sagittariusie A*, czarnym Słońcu Drogi Mlecznej dyrygującym ruchem setek miliardów gwiazd. Jego masa to jakieś 4,3 miliona Słońc. Czarny Pan i Mroczny Władca naszej Galaktyki jest ponad 9 tysięcy razy mniejszy od swojego krewnego z Holm 15A. Czarne dziury rozmiarami są malutkie, a ta w centrum naszej Galaktyki ma średnicę zaledwie 24 mln km (odległość Słońce-Ziemia to 150 mln km). To trochę tak jakby zestawić masę Jowisza z masą Słońca. Albo – jeśli wolicie coś bardziej przyziemnego – jakby porównać samotne ziarenko kawy z dwudziestokilogramowym workiem cementu. A przecież mówimy o dwóch supermasywnych czarnych dziurach. Nic dziwnego, że co niektórzy astrofizycy, dla wyróżnienia tej posępnej elity, używają pojęcia ultramasywnych czarnych dziur. Ogółem, wystarczy masa niecałych 20 miliardów mas Słońca, aby załapać się do pierwszej dziesiątki ekstremalnie masywnych obiektów. Dwukrotnie większa masa Holm 15A zapewnia jej więc pewną lokatę w ścisłej czołówce.
Jak wiemy dzięki mądrości Karla Schwarzschilda, masa czarnej dziury koresponduje z rozmiarami jej horyzontu zdarzeń. Oznacza to, że ultramasywne bestie pozostają również najbardziej obszernymi ciemnymi ciałami we wszechświecie. Portretowanie NGC 1277 o masie 17 miliardów Słońc pokazalo, że jej oblicze mogłoby z łatwością zasłonić kilka układów planetarnych wielkości naszego słonecznego. A Holm 15A to masa 40 miliardów Słońc wiąże się z horyzontem zdarzeń o średnicy około 240 miliardów kilometrów. To tak, jakby ustawić obok siebie 20 Układów Słonecznych, licząc do orbity Plutona. Gdyby Voyager 1 (najdalej położona ludzka sonda) miał przemierzyć taki dystans, zajęłoby mu to ponad 400 lat. Całą tę ogromną przestrzeń zakrywa nieprzenikniona, czarna sfera.
Nawet jeśli Holm nie może liczyć na złoty medal w kategorii najdorodniejszego zaobserwowanego monstrum we wszechświecie, jest on bez wątpienia najmasywniejszym stworem znajdującym się w obrębie miliarda lat świetlnych od Ziemi. To o tyle istotne, że astronomowie mogli posłużyć się dokładniejszymi metodami badań, niż ma to miejsce w przypadku kwazarów leżących opodal granicy obserwowalnego wszechświata. Pomiary promieniowania dochodzącego z rdzenia galaktyki Holm 15A, pozwalają szacować masę tamtejszej czarnej dziury z marginesem błędu do 800 milionów mas Słońca. Zważywszy na skalę o jakiej mówimy, to całkiem satysfakcjonująca precyzja. Stwór z jądra Holm 15A jest wyjątkowy z jeszcze jednego powodu. Gromada Abell 85, do której przynależy Holmberg, pozostaje oddalona o 740 milionów lat świetlnych, czyli całkiem niewiele. Większość zlokalizowanych rekordowo masywnych i energetycznych obiektów zalega w centrach kwazarów ulokowanych znacznie dalej. Od wspomnianego obiektu TON 618 dzieli nas 10,4 miliarda lat świetlnych; a od takich kwazarów jak S5 0014+81 czy APM 08279+5255, nawet 12 miliardów lat świetlnych.
Ogólnie o czarnych dziurach
Masa gwiazdowej czarnej dziury może być nawet 20 razy większa niż masa Słońca i może zmieścić się w kuli o średnicy około 16 kilometrów. W Drodze Mlecznej mogą istnieć dziesiątki takich czarnych dziur. Czarne dziury mogą odpowiadać za znaczną część tak zwanej czarnej, niewidzialnej materii Wszechświata. Największe czarne dziury nazywane są „supermasywnymi”. Te czarne dziury mają masy większe niż milion Słońc, przy średnicy mniejszej niż rozmiar Układu Słonecznego. Dowody naukowe sugerują, że każda duża galaktyka zawiera supermasywną czarną dziurę w jej centrum. Supermasywna czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej nazywa się Sagittarius A. Ma masę równą ponad 4 milionom Słońc i zmieściłaby się w kuli o średnicy mniej więcej jednego Słońca (1,3 mln km do maksimum 24 mln km).
Mówiąc o czarnych dziurach przeważnie skupiamy się na ich niesamowicie dorodnych masach. Nie jest to dziwne, ponieważ liczby robią tu naprawdę ogromne wrażenie, a najpospolitsze czarne dziury mogą pochwalić się masą od kilkudziesięciu do kilkuset Słońc. Z kolei w jądrach galaktyk swoje legowiska mają najbardziej mocarne bestie wszechświata z masami idącymi w miliony, a czasem nawet miliardy Słońc. Rekordzistki (w stylu NGC 1277) w tej kategorii dociągają do 20 miliardów mas Słońca, choć i bohaterka badań naukowych z lat 2018/2019 – czyli czarna dziura w galaktyce Panna A (lub M87) – nie ma się czego wstydzić, ze swoją tuszą na poziomie 6,5 miliarda Słońc.
Objętość horyzontu zdarzeń czarnych dziur – nieprzeniknionej kotary, spoza której nic nie może uciec – pozostaje ściśle uzależniona od masy. Już dawno temu fizyk Karl Schwarzschild, opierając się na ogólnej teorii względności, ukuł równanie pozwalające łatwo wyliczyć wielkość potencjalnego horyzontu dla ciała o określonej masie. Praca Schwarzschilda uświadomiła uczonym, że przeciętna czarna dziura to obiekt masywny i gęsty, ale w skali kosmicznej przeważnie bardzo drobny, jeśli chodzi o średnice. Weźmy na ten przykład pozostającą w stanie agonii gwiazdę Betelgezę. To czerwony nadolbrzym o masie 18 Słońc, który w bliżej nieokreślonej przyszłości skończy żywot jako supernowa. Gdyby tak się zdarzyło, że gwiazda ta ulegnie przekształceniu w czarną dziurę, co jest bardzo prawdopodobne, to średnica jej horyzontu zdarzeń nie byłaby wiele większa niż 100 km (takie maleństwo o bardzo dużej masie). Aby dobrze zrozumieć o jak ekstremalnej kompresji materii jest mowa, przypomnijmy, że obecnie Betelgeza posiada średnicę mierzącą grubo ponad miliard kilometrów (około tysiąc razy wiekszą niż Słońce). Więc rzeczywiście, w większości czarne dziury pozostają wręcz zabawnie małe, małe ale ciężkie.
Idea czarnych dziur sięga roku 1783, kiedy naukowiec z Cambridge John Michelle zdał sobie sprawę, że wystarczająco masywny obiekt w wystarczająco małej przestrzeni może przyciągnąć nawet światło, uniemożliwiając mu ucieczkę. Po ponad wieku Karl Schwarzschild znalazł dokładne rozwiązanie ogólnej teorii względności Einsteina, która przewidywała ten sam wynik: czarną dziurę. Zarówno Michell, jak i Schwarzschild przewidzieli wyraźny związek między horyzontem zdarzeń lub promieniem regionu, z którego światło nie może uciec, a masą czarnej dziury. Pierwszą powszechnie uznaną czarną dziurą jest jednak ta odkryta w układzie Cygnus X-1 (w gwiazdozbiorze Łabędzia). W 1971 roku dostrzeżono, że gwieździe tego układu towarzyszy obiekt o masie przynajmniej dziesięć razy większej od masy Słońca. W 2002 roku potwierdzono obecność supermasywnej czarnej dziury (o ponad 4 milionach mas Słońca) w centrum naszej Galaktyki, w Drodze Mlecznej (mistyczny Tron Arymana dawnych astrologów okazał się faktem naukowym). Najbliższe (znane) gwiezdne czarne dziury znajdują się zaledwie kilka tysięcy lat świetlnych od nas.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz