Czarne dziury to obiekty kosmiczne, o których wciąż wiemy bardzo mało. Ich tajemnicza natura i rola w kosmicznym ekosystemie fascynuje kolejne generacje naukowców. Równie niezwykły, jak ich funkcja, jest rozmiar. Wiele z nich to olbrzymy niemalże o rozmiarach galaktyk. O największym z nich, TON 618, chcę Ci co nieco opowiedzieć.
Czym są gwiazdowe i supermasywne czarne dziury?
Czarne dziury, będące jednymi z najbardziej tajemniczych i fascynujących obiektów astronomicznych, od dawna intrygowały naukowców. Ich istnienie, przewidywane teoretycznie już w XVIII wieku, zostało potwierdzone empirycznie w latach 60. XX wieku, otwierając nowy rozdział w astronomii.
Gwiazdowe czarne dziury są stosunkowo mniejsze, powstające w wyniku kolapsu grawitacyjnego masywnych gwiazd. Ich masa wynosi zazwyczaj kilka do kilkunastu mas Słońca. Te obiekty są fascynujące z powodu ekstremalnych warunków, które towarzyszą ich tworzeniu, w tym wybuchów supernowych.
Supermasywne czarne dziury, jak TON 618, znajdują się zwykle w centrum galaktyk, w tym Drogi Mlecznej. Ich masa może osiągać miliony, a nawet miliardy mas Słońca. Te giganty pełnią kluczową rolę w ewolucji galaktyk, wpływając na ich kształt i dynamikę. Są one przedmiotem intensywnych badań, ponieważ ich ogromne rozmiary i masy stanowią wyzwanie dla współczesnej fizyki.
Mimo postępów w badaniach, czarne dziury nadal owiane są tajemnicą, a każde nowe odkrycie prowadzi do nowych pytań dotyczących ich natury i wpływu na kosmos.
Gwiazdowe czarne dziury
Jednym z faktów naukowych jest podział czarnych dziur na gwiazdowe i supermasywne. Te pierwsze, jak możesz się domyślić, powstają z gwiazd. Musi być to obiekt co najmniej 20 razy większy od Słońca. Pod sam koniec swojego życia dochodzi do kolapsu. W gwieździe wyczerpują się zapasy wodoru. W jej jądrze następuje synteza coraz cięższych pierwiastków.
W wyniku reakcji chemicznych powstają ostatecznie metale ciężkie, takie jak nikiel i kobalt. Ostatnim z nich jest żelazo. Gdy i jego zaczyna brakować, gwiazda odrzuca swoje zewnętrzne warstwy. Pozostaje wówczas tylko jądro, które zaczyna się gwałtownie zapadać. Istniejące przez miliardy lat słońce w ciągu kilku sekund przemienia się w czarną dziurę. Odrzucenie zewnętrznych warstw materii sprawia, że zmniejsza ona swoją masę. Wynosi ona od kilku do kilkunastu mas Słońca.
Nowy obiekt odznacza się gigantycznym przyciąganiem grawitacyjnym. Cokolwiek znajdzie się w zasięgu jego oddziaływania, jest przyciągane. Przed siłą czarnej dziury nie może uciec nawet światło. Materia trafia do jej środka, czyli osobliwości. Co w niej jest? Tego uczeni jeszcze nie wiedzą. Tak samo nie jest znana rola czarnych dziur w kosmicznym ekosystemie.
Soczewkowanie grawitacyjne – okno na odległe od naszej galaktyki obiekty kosmiczne
Soczewkowanie grawitacyjne to zjawisko, które naukowcy z Uniwersytetu w Durham opisali w czasopiśmie „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society”. Jest to efekt zakrzywienia promieni światła przez potężne pola grawitacyjne, co umożliwia astronomom obserwację i analizę odległych obiektów kosmicznych.
W praktyce, soczewkowanie grawitacyjne działa podobnie do soczewki optycznej, z tą różnicą, że zamiast szkła, wykorzystuje grawitację masywnych obiektów, takich jak galaktyki czy czarne dziury. Grawitacja te ogromne obiekty zakrzywia i rozciąga światło przechodzące w ich pobliżu, co pozwala zobaczyć obiekty znajdujące się za nimi. Efekt ten może powiększać, rozciągać lub nawet tworzyć wielokrotne obrazy tych samych obiektów.
Soczewkowanie grawitacyjne jest szczególnie przydatne w badaniach odległych galaktyk i kwazarów, które są zbyt słabe lub zbyt oddalone, aby mogły być obserwowane bezpośrednio. Umożliwia to naukowcom nie tylko odkrywanie nowych obiektów, ale także badanie natury i właściwości ciemnej materii oraz testowanie ogólnej teorii względności Einsteina.
W związku z tym, soczewkowanie grawitacyjne jest nieocenionym narzędziem w kosmologii i astronomii, pozwalającym na głębsze zrozumienie struktury i historii wszechświata.
Największa czarna dziura. Masywny olbrzym
Masywne jak 100 tysięcy lub więcej Słońc obiekty należą do kategorii supermasywnych czarnych dziur. Takim ciałem niebieskim jest również TON 618. Tego typu obiekty zachowują się jak ich gwiazdowe odpowiedniki. Ze względu na różnicę masy oddziałują jednak na znacznie większy obszar galaktyki. W ich przypadku istnieją przypuszczenia, jaką funkcję część z nich pełni we Wszechświecie.
Niektóre supermasywne czarne dziury mają jakiś wpływ na funkcjonowanie galaktyk. Jaki? Nie ma co do tego pewności. Być może w pewien sposób decydują o ich stabilności. W końcu z nieznanego dziś powodu centrum każdej galaktyki jest właśnie supermasywna czarna dziura. TON 618 znajduje się właśnie w takim miejscu.
Supermasywne czarne dziury nie powstają wskutek śmierci gwiazd, a przynajmniej nie bezpośrednio. Astronomowie sądzą, że część z nich mogła powstać w wyniku zapadania się materii tuż po Wielkim Wybuchu. Pozostałe obiekty początkowo mogły być pozostałościami dawnych słońc. Olbrzymami uczynić je mogło zjawisko akrecji. Polega ono na opadaniu przyciąganej grawitacyjnie materii na gwiazdową czarną dziurę.
Niewykluczone, że każda gwiazdowa czarna dziura kiedyś staje się supermasywnym ciałem niebieskim. Musiałyby jednak przechodzić etap pośredni, czyli w międzyczasie mieć masę od kilkunastu do 100 tys. Słońc. Występowania takich obiektów jednak do tej pory naukowcy nie zaobserwowali.
Wyjaśnieniem tej zagadki mogą być zderzenia czarnych dziur. Istnienie tego zjawiska potwierdzono w 2015 roku. W takich momentach mniejsze obiekty łączą się w jeden większy. Możliwe więc, że po wielu takich zderzeniach powstają ciała niebieskie kolosalnych rozmiarów.
Jak wygląda czarna dziura?
Na koniec ogólnego opisu tych kosmicznych gigantów, przytoczę jeszcze dwie ciekawostki. Po pierwsze, nazwa ta nie oddaje ich prawdziwego charakteru. Określenie „dziura” sugeruje obiekt, do którego coś wpada z jednej strony, podczas gdy w rzeczywistości te gigantyczne obiekty przyciągają materię zarówno z góry, jak i od dołu.
Po drugie, kształt tych obiektów pozostaje tajemnicą. W wizualizacjach artystycznych często przedstawiane są jako okręgi lub kule, jednak bezpośrednie obserwacje nie są możliwe, gdyż nie odbijają światła. Ich istnienie zostało potwierdzone dzięki teoretycznym równaniom opisującym horyzont zdarzeń – granicę, za którą żadna materia, nawet światło, nie może uciec z potężnego pola grawitacyjnego takiej gigantycznej czarnej dziury.
Słońce vs. Supermasywne czarne dziury. Porównanie skali
TON 618 jest jedną z największych czarnych dziur, jakie naukowcy odkryli do tej pory. Została wykryta w 1957 roku podczas badań nad odległymi gwiazdami, a jej naturę jako jądro kwazara ustalono w latach 70-tych. Ten ogromny obiekt posiada promień wynoszący 1300 jednostek astronomicznych, co oznacza, że jego średnica to około 390 miliardów kilometrów. Masa TON 618 szacowana jest na około 66 miliardów mas Słońca, co czyni ją jedną z największych czarnych dziur obserwowanych przez naukowców.
Niedawne odkrycia w centrum Drogi Mlecznej oraz wykorzystanie technologii, takiej jak Kosmiczny Teleskop Hubble’a, umożliwiają badanie nieaktywnych czarnych dziur oraz zrozumienie ich wpływu na otaczające je galaktyki. Badania te rzucają światło na procesy formowania się i ewolucji czarnych dziur, dostarczając kluczowych informacji o strukturze i historii Wszechświata.
TON 618 – porównanie rozmiarów z innymi obiektami w kosmosie i galaktyce
Rozszerzając opis rozmiarów i masy TON 618, warto zrozumieć, jak wyjątkowa jest ta czarna dziura w kontekście astronomicznym. Jej ogrom przekracza wyobrażenia, a porównania z znanymi nam obiektami kosmicznymi pozwalają lepiej zrozumieć jej skalę.
TON 618, będąc jedną z największych i najbardziej masywnych czarnych dziur w historii, ma promień 1300 au, co jest około 30 milionów razy większe niż promień Ziemi. W kontekście Układu Słonecznego, promień TON 618 jest 20 razy większy niż promień naszego systemu, obejmującego odległość od Słońca do Plutona. Co więcej, porównując TON 618 do supermasywnej czarnej dziury Sagittarius A* w centrum Drogi Mlecznej, jest ona od niej większa aż 15 300 razy.
Masa TON 618, wynosząca 66 miliardów mas Słońca, przekracza masę Słońca o 2 miliardy, co pokazuje jej monstrualne rozmiary. Jednak w porównaniu z całkowitą masą Drogi Mlecznej, zawierającą gwiazdy, planety, księżyce i inne ciała, galaktyka ta jest cięższa od pojedynczej czarnej dziury. Pomimo to, TON 618 wyróżnia się jako jedna z najbardziej masywnych czarnych dziur znanych nauce, pokazując swoją dominację w skali kosmicznej.
Gdzie znajduje się czarna dziura TON 618?
Czarna dziura TON 618 jest centrum galaktyki aktywnej o tej samej nazwie. Znajduje się ona w gwiazdozbiorze Psów Gończych (Canes Venatici). Jest to jeden z najdalszych obiektów, jakie zaobserwował człowiek. Jej odległość od Ziemi wynosi 10,4 mld lat świetlnych. Innymi słowy, światło potrzebowało aż 10,4 mld lat, by dotrzeć do teleskopów astronomów. W międzyczasie Wszechświat stale się rozszerzał (co dzieje się do dziś). Z tego powodu rzeczywista odległość do TON 618 to dziś około 30 mld lat świetlnych.
Aby w pełni zrozumieć, jak gigantyczny jest to dystans, ponownie posłużę się porównaniami. Światło, które porusza się z prędkością około 300 tys. km/s potrzebuje zaledwie 1,3 sekundy, by przebyć drogę z Księżyca na Ziemię. Do Słońca jest znacznie dalej. Mimo tego przebycie 150 mln km zajmuje mu tylko 8 minut i 20 sekund. Pokonanie drogi do granicy Układu Słonecznego trwa 1 rok. Przebycie całej Drogi Mlecznej wymaga z kolei niecałych 106 tys. lat.
Istnienie największych supermasywnych czarnych dziur tak daleko od nas zdaje się potwierdzać teorię o ich powstawaniu krótko po Wielkim Wybuchu. Ilość materii we Wszechświecie była wówczas znacznie większa. Środowisko było więc idealne do rozrastania się czarnych dziur na skutek zapadania się lokalnych skupisk materii lub jej akrecji na mniejsze czarne dziury.
Jako ciekawostkę dodam, że TON 618 nie jest najbardziej odległym ciałem niebieskim znanym naukowcom. Najnowszym zwycięzcą tego rankingu jest HD1. Odkrycie tej małej galaktyki zostało potwierdzone w 2022 roku. Wyemitowane przez nią światło potrzebowało 13,5 mld lat, by dotrzeć do Ziemi. Ekspansja kosmosu sprawiła, że współcześnie dzieli ją 33,4 mld lat świetlnych od ziemi.
TON 618 i inne giganty kosmosu. Badania nad supermasywnymi czarnymi dziurami
Specyfiką wszelkich porównań obiektów kosmicznych jest częsta zmiana liderów zestawień. Nie inaczej jest z czarnymi dziurami. Istnieje bowiem „kandydatka” do pokonania TON 618. Jest nią ciało o jakże łatwej do zapamiętania nazwie – SDSS J140821.67+025733.2. Znajduje się w galaktyce o tym samym oznaczeniu. Według niektórych badaczy jej waga może przekraczać 100 mld Słońc. Dotychczasowe badania jednak tego nie potwierdziły. Oficjalnie jej ciężar to 12 mld gwiazd takich jak nasza.
W konstelacji Wieloryba, w gromadzie galaktyk Abell 85 jest inny kolos. Holm 15A nie jest jednak aż tak duży, jak TON 618. Ta czarna dziura ma masę 40 mld Słońc. Jej promień ma 120 mld km. Przez wiele lat to właśnie ona dzierżyła palmę pierwszeństwa w kategorii tego typu obiektów. Innym kolosem jest NGC 1277 z gwiazdozbioru Perseusza. Ciężarem jednak znacznie ustępuje liderkom rankingu. Masa tej czarnej dziury to 17 mld gwiazd wielkości Słońca.
Jak długo istnieją czarne dziury takie jak TON 618?
Wspomniałem już, że o czarnych dziurach nadal wiemy bardzo mało. Zdecydowana większość ich charakterystyki to jedynie przypuszczenia. Nie inaczej jest z ich wiekiem. Niektóre z nich istnieją od niedawna. W skali kosmicznej tysiąc czy milion lat jest niczym mrugnięcie okiem. Inne czarne dziury wydają się istnieć niemal od początku Wszechświata.
Teoria Stephena Hawkinga. Czy czarne dziury mogą tracić masę?
Nikt jednak nie wie, jak długo żyją. Mało prawdopodobne, by były wieczne. Jedną z najpopularniejszych teorii sformułował niegdyś Stephen Hawking. Słynny brytyjski badacz stwierdził, że czarne dziury mogą tracić masę poprzez emisję promieniowania.
W trakcie niemal całego życia czarnej dziury dochodzić by miało do ogromnej dysproporcji między tym, co obiekt pochłania, a co wysyła z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Po bilionach lat czarne dziury pochłonąć miałyby całą materię. W rezultacie zaczęłyby już tylko emitować promieniowanie. W ciągu kolejnych miliardów lat po prostu by znikły.
Hipoteza białej dziury. Zaprzeczenie czarnej dziury
Ta hipoteza może (ale nie musi) łączyć się z kolejną. Zgodnie z nią czarne dziury zamieniają się w białe. Przyczyną miałaby być ograniczona ilość materii, jaką obiekty te mogą wchłonąć. Po przekroczeniu punktu krytycznego następowałoby swego rodzaju odbicie. Innymi słowy, pochłaniająca wszystko czarna dziura zaczęłaby oddawać wszystko z powrotem w kosmos.
W jaki sposób miałyby się łączyć obie te teorie? Według jednego z pomysłów po zniknięciu czarnych dziur (na skutek emisji promieniowania lub przekształcenia w białą dziurę), materia ponownie pozwoliłaby na tworzenie nowych gwiazd. One zaś prędzej czy później skończyłyby swoje życie, przekształcając się ponownie w czarne dziury. Taki cykl mógłby trwać w nieskończoność.
Rozszerzeniem tej hipotezy jest twierdzenie, że sam Wszechświat jest naprzemiennie czarną i białą dziurą. Zapoczątkowanie jego rozszerzania się za sprawą Wielkiego Wybuchu miałoby być takim właśnie odbiciem. Po miliardach lat kosmos mógłby zacząć się kurczyć, kumulując wszystko w pierwotnej osobliwości. Potem znów doszłoby do Wielkiego Wybuchu.
TON 618 to kolos, który jak mało który uświadamia nam ogrom Uniwersum. W połączeniu z tajemniczą naturą czarnych dziur stanowi jedno z najciekawszych ciał niebieskich, jakie odkryto. Co jeszcze kryje się w mrokach kosmosu? Zapewne coś jeszcze większego. Wszak jedyne, czego możemy być pewni, to zmiany liderki rankingu największych czarnych dziur we Wszechświecie.
