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 są jednymi z najbardziej tajemniczych ciał niebieskich. Istnienie obiektów o tak ogromnej grawitacji i masie przewidywali fizycy już pod koniec XVIII wieku. Udowodnienie ich istnienia w latach 60. XX wieku doprowadziło do rozpoczęcia obserwacji miejsc ich prawdopodobnego występowania. Mimo pół wieku badań nadal wiemy o nich stosunkowo niewiele.
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.
Supermasywne czarne dziury
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 czarnych dziur przytoczę jeszcze dwie ciekawostki. Po pierwsze nazwa tych ciał niebieskich nie oddaje ich prawdziwego kształtu. Słowo dziura przywodzi na myśl obiekt, do którego coś wpada z jednej strony. W rzeczywistości czarne dziury przyciągają materię i z góry i od spodu.
Po drugie nie wiadomo, jaki mają kształt. W artystycznych wizualizacjach przedstawiane są jako okręgi lub kule. Nie sposób jednak tego wyobrażenia potwierdzić lub mu zaprzeczyć. Jako że nie odbijają światła, nie da się ich zaobserwować. Ich istnienie udowodniono przy pomocy równań.
Wielkość, masa i jasność czarnej dziury TON 618
TON 618 pozostaje największą znaną czarną dziurą mimo tego, że od jej odkrycia minęło już kilkadziesiąt lat. Uczeni znaleźli ją w 1957 roku. Prowadzili wówczas badania nad odległymi, małymi gwiazdami. Widmo jej promieniowania otrzymali w 1963 roku. Musiało minąć jednak jeszcze kilka lat, nim ustalono jej naturę i wielkość.
W 1970 roku pracująca w meksykańskim Obserwatorium Tonantzintla Marie-Helene Ulrich ustaliła, że TON 618 jest jądrem kwazara, czyli aktywnej galaktyki. Promień tej czarnej dziury ma długość 1300 au (jednostek astronomicznych). Miara ta oznacza odległość Ziemi od Słońca (1 au, czyli 150 mln km). Innymi słowy, promień TON 618 to 195 mld km, a średnica – 390 mld km. Nie mniej imponująca jest masa czarnej dziury wynosząca tyle, co 66 mld Słońc. Jasność jest taka jak 140 bln gwiazd takich jak nasza.
TON 618 – porównanie rozmiarów z innymi obiektami w kosmosie
Przytoczone przeze mnie rzędy wielkości mówią całkiem dużo, ale nie wszystko. Aby zrozumieć ogrom TON 618, najlepiej porównać ją do wielkości Ziemi, Układu Słonecznego i innych galaktyk. Trzeba przyznać, że na ich tle wypada wręcz niesamowicie.
Promień Ziemi wynosi 6371 km. Oznacza to, że jest on krótszy od promienia TON 618 ponad 30 mln razy. To jednak jeszcze nic. Nawet Układ Słoneczny jest znacznie mniejszy od tej czarnej dziury. Jego promień to 60 au, czyli ponad 20 razy mniej. TON 618 bije na głowę nawet supermasywną czarną dziurę w centrum naszej galaktyki. Sagittarius A* jest od niej mniejszy 15 300 razy.
O stosunku wagi tego obiektu do ciężaru Ziemi, czy nawet całego Układu Słonecznego, nie ma nawet co wspominać. Dlaczego? Ponieważ TON 618 jest cięższa nawet od Drogi Mlecznej, której masa to 64 mld Słońc.
Kwestię wagi TON 618 muszę jednak nieco sprostować. Owszem, największa czarna dziura w kosmosie jest masywniejsza od Drogi Mlecznej. Porównanie to dotyczy jednak tylko ciężaru Słońc, który jest o 2 mld większy w przypadku TON 618. Galaktyki składają się jednak nie tylko z nich. Wraz z planetami, księżycami i innymi ciałami niebieskimi Droga Mleczna jest cięższa od tej czarnej dziury. Niemniej jednak jest ona większa i masywniejsza od wielu innych, mniejszych galaktyk.
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 od nas 33,4 mld lat świetlnych.
Inne supermasywne czarne dziury
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
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
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.