Czarne dziury odkryto już dość dawno temu, ale nadal wiadomo o nich zbyt mało. W ostatnim czasie udało się jednak dokonać kilku odkryć. Projekt Horyzont Zdarzeń i teleskop Webba pozwalają astronomom zaglądać coraz dalej w kosmos i obserwować te tajemnicze obiekty. Czego zdołano się dowiedzieć?
Najstarsza znana czarna dziura
Jednym z najważniejszych wydarzeń w 2023 roku w astronomii było zaobserwowanie czarnej dziury w galaktyce GN-z11. Przez pewien czas ten gwiazdozbiór uważano za najbardziej oddalony od Ziemi. Z racji tego, że Wszechświat się rozszerza, tak odległa konstelacja stała się jednocześnie najstarszą znaną do tej pory. Co oczywiste, czarna dziura, która znajduje się w jej centrum, również została rekordzistką pod względem dystansu i wieku.
Czarna dziura (wraz z gwiazdozbiorem GN-z11) powstała około 440 mln lat po Wielkim Wybuchu. Oznacza to, że istnieje już od 13 mld lat. Naukowcy przypuszczają, że pochodzi ona z drugiej generacji tego typu ciał niebieskich. Dlaczego nie z pierwszej? Uczeni sądzą, że w kosmosie krążą jeszcze starsze, pierwotne obiekty tego rodzaju.
Obecność czarnej dziury w danym miejscu można potwierdzić obserwacjami jej dysku akrecyjnego. Składa się on z mieszanki gazów i pyłów rozgrzanych do ogromnych temperatur – w efekcie zaczyna świecić.
W przypadku obiektu z galaktyki GN-z11 światło potrzebowało 13 mld lat, aby dotrzeć do Ziemi. W międzyczasie kosmos jednak dalej się rozszerzał. Dziś najstarsza potwierdzona czarna dziura z drugim pod względem wieku gwiazdozbiorem są już 32 mld lat świetlnych stąd.
Masywne czarne dziury w małych galaktykach
Czarne dziury mają różne rozmiary, ale te znajdujące się w sercach galaktyk zawsze są ogromne. Do tej pory uczeni nie spodziewali się jak bardzo. Gwiazdozbiory, które powstały kilkaset mln lat po Wielkim Wybuchu krążą wokół struktur, których masa to 0,001 ciężaru wszystkich gwiazd danego układu. W granicach tej wartości mieści się też Sagittarius A*, czyli czarna dziura będąca centrum Drogi Mlecznej.
Droga Mleczna powstała we wczesnym etapie formowania się kosmosu, ale nie początkowym. W galaktykach starszych od niej o kolejne kilkaset mln lat czarne dziury są znacznie większe. Ich masa to czasem aż 0,01 lub nawet 0,1 ciężaru okolicznych gwiazd. Dzięki teleskopowi Jamesa Webba i późniejszym pomiarom badacze dowiedli, że w pierwszych wiekach kosmosu powstały też obiekty o wadze równej słońcom ze swoich gwiazdozbiorów.
Dla tęgich głów z uczelni takich jak Cambridge zagadką było zrozumienie pochodzenia tych ciał niebieskich. Nie mogły przecież powstać z zapadających się ogromnych gwiazd. Tych jeszcze wtedy nie było. Z czego więc uformowały się te czarne dziury? Naukowcy stwierdzili, że do ich stworzenia doszło być może w wyniku kolapsu (zapadania) ogromnych obłoków gazów i pyłów, które nie zdążyły się jeszcze przekształcić w gwiazdy.
Czy gwiazda może przechwycić czarną dziurę?
Obiekty o gęstości i grawitacji tak ogromnej, że nie wydostaje się z nich nawet światło, najpierw przewidziano, a nie odkryto. Właśnie dlatego zupełnie poważnie podchodzę do eksperymentu myślowego, który przeprowadzili badacze z niemieckiego Instytutu Astrofizyki im. Maxa Plancka. Teoretyczne rozważania doprowadziły ich do wniosku, że mogą istnieć gwiazdy zawierające czarne dziury.
Jak to możliwe? Żeby to wyjaśnić, musimy cofnąć się do koncepcji obiektów tego typu. Wiele z nich zapewne miało ogromne rozmiary i masy. Oprócz nich mogły jednak powstać bardzo małe struktury, być może wielkości planet lub nawet ich księżyców. W dostatecznie dużej gwieździe pojawiłaby się czarna dziura. Jej oddziaływanie byłoby przy tym bardzo małe. Duże słońce z czasem, oczywiście, zostałoby wchłonięte, ale ten proces zająłby miliardy lat.
Niewykluczone, że w odległych zakątkach Wszechświata istnieją takie podwójne układy. Do ich powstania miałoby dochodzić wskutek grawitacji. Innymi słowy, duża gwiazda przyciągałaby małą czarną dziurę, aż ta znalazłaby się w jej wnętrzu. W dużym uproszczeniu zachodziłby więc proces podobny do przechwytywania asteroid przez planety.
Podwójne układy czarnych dziur i gwiazd neutronowych
Dwa w jednym to chyba nie to samo co układ podwójny, a przynajmniej tak mi się wydaje. Mój dylemat mogliby rozwiązać odkrywcy takiej konfiguracji ciał niebieskich. Nie tak dawno, bo 4 lata temu, czujniki fal elektromagnetycznych Advanced Ligo oraz Advanced Virgo odebrały nietypowy sygnał. Aparatura wykryła powstanie nowego typu obiektu.
Do tej pory naukowcom udało się zaobserwować dwa ciała niebieskie, które krążą wokół siebie. Wśród nich znajdowały się także konfiguracje złożone z czarnych dziur i gwiazd neutronowych. Z czasem te pierwsze pochłaniały materię drugich, a tym samym prowadziły do ich unicestwienia. Obserwacje z 2020 roku pokazały jednak, że wcale nie musi tak być.
Zjawisko zostało opisane w czasopiśmie „The Astrophysical Journal Letters”. Poza wyjątkowością odkrycia tego obiektu (a potem kilku kolejnych) warte uwagi są jeszcze dwie kwestie. Po pierwsze w badaniach brali udział uczeni z Uniwersytetu Warszawskiego.
Poza tym po raz kolejny możemy się przekonać, jak ogromne są odległości w kosmosie. Fale odebrane przez Ligo i Virgo potrzebowały 900 mln lat, aby dotrzeć na Ziemię.
Pierwsze zdjęcie czarnej dziury
Przypuszczam, że miałeś okazję zobaczyć wizualizację czarnej dziury – artystyczna wizja wyglądu takiej struktury pojawia się w wielu filmach dokumentalnych. Do 2022 roku nie dało się zrobić niczego więcej. Dzięki rozwojowi technologii członkom projektu Horyzont Zdarzeń udało się wykonać zdjęcie prawdziwej czarnej dziury. W tym przypadku zarejestrowano obraz obiektu Sagittarius A*.
W rzeczywistości nie możemy mówić o wykonaniu jednej fotografii. Teleskopy z całego świata zarejestrowały wiele obrazów. Później uchwycone kadry były przetwarzane. Nie mogło stać się inaczej, ponieważ prędkość materii w dysku akrecyjnym jest ogromna. Właśnie dlatego uwieczniony obiekt pozostaje mocno rozmazany. Najważniejsze jednak jest to, że cokolwiek widać.
Jak zapewne się domyślasz, samej czarnej dziury nie udało się sfotografować – to niemożliwe. Da się obejrzeć tylko świecący dookoła niej dysk akrecyjny. Stanowi on ostatnie miejsce, z którego materia może się jeszcze wydostać. Po jej przekroczeniu obiekt znajduje się już w horyzoncie zdarzeń, czyli miejscu, z którego już nie ma ucieczki.
