Nauka

Mroczne serce naszej Galaktyki

Zaglądamy w centrum Mlecznej Drogi

Gigantyczny radioteleskop zostanie skierowany w centrum naszej Galaktyki, w którym kryje się olbrzymia czarna dziura. Zanim to nastąpi, jej przewidywany wygląd prognozują teoretycy. Gigantyczny radioteleskop zostanie skierowany w centrum naszej Galaktyki, w którym kryje się olbrzymia czarna dziura. Zanim to nastąpi, jej przewidywany wygląd prognozują teoretycy. O.Straub/F.Vincent/M.Abramowicz/E.Gourgoulhon/T.Paumard / Archiwum
Radioastronomowie uruchamiają teleskop wielkości Ziemi, który pozwoli im obejrzeć cień czarnej dziury istniejącej w centrum Drogi Mlecznej.
W przyszłym roku obok dziury w centrum Galaktyki przejdzie obłok międzygwiazdowy. Już ulega rozrywaniu. Białe punkty to gwiazdy. Niebieskie elipsy to ich orbity.Marc Schartmann/ESO W przyszłym roku obok dziury w centrum Galaktyki przejdzie obłok międzygwiazdowy. Już ulega rozrywaniu. Białe punkty to gwiazdy. Niebieskie elipsy to ich orbity.
Tak wyglądały pęcherze wydmuchiwane miliony lat temu przez centralną czarną dziurę Mlecznej Drogi. Widok z Ziemi.Godard Space Flight Cenetr/NASA Tak wyglądały pęcherze wydmuchiwane miliony lat temu przez centralną czarną dziurę Mlecznej Drogi. Widok z Ziemi.

Przez długie dziesięciolecia czarne dziury były tylko matematycznymi wariacjami na temat ogólnej teorii względności. Coraz liczniejsze obserwacje przemawiają jednak za ich realnością tak przekonująco, że ogromna większość astronomów przyznaje im dziś status pełnoprawnych obywatelek kosmosu. Media często opisują je jako bezlitosne pożeraczki wszystkiego, ale ta zła sława jest całkowicie nieuzasadniona. Gdyby w miejscu Słońca pojawiła się czarna dziura o takiej jak ono masie, planetom naszego układu nic by się nie stało: dalej krążyłyby regularnie po niezmienionych orbitach. Pożarcie grozi tylko temu, kto zabłądzi w pobliże dziury, gdzie przestaje obowiązywać fizyka klasyczna i Newton musi ustąpić Einsteinowi.

Kosmiczna populacja czarnych dziur wygląda dość dziwacznie: składa się niemal wyłącznie z karzełków i olbrzymów. Małe dziury, o masie od kilku do kilkunastu mas Słońca, są sprasowanymi przez grawitację resztkami wielkich gwiazd, które kończą ewolucję potężnym wybuchem supernowej. Każda duża galaktyka zawiera ich miliony. Nasza Droga Mleczna nie jest tu wyjątkiem, choć na razie astronomowie zidentyfikowali w niej tylko około 20 takich obiektów. Olbrzymie czarne dziury, których masy sięgają miliardów mas Słońca, występują wyłącznie w centrach dużych galaktyk i niemal zawsze są samotniczkami. Skąd tam się biorą i w jaki sposób osiągają takie rozmiary, na razie nie wiadomo.

Historia tych supermasywnych obiektów zaczęła się we wczesnych latach 60. od odkrycia dokonanego przez Maartena Schmidta, pochodzącego z Holandii astronoma amerykańskiego. Pracował on wtedy przy ówczesnym największym teleskopie świata na Mt Palomar, obserwując podobny do niezbyt jasnej gwiazdy obiekt o numerze katalogowym 3C273 (że nie jest to zwykła gwiazda, świadczyło dobiegające zeń silne promieniowanie radiowe). Bomba wybuchła, gdy astronomowi udało się zmierzyć jego prędkość: 3C273 uciekał od nas w tempie prawie 50 tys. km na sekundę! W naszym ekspandującym Wszechświecie, w którym prędkość oddalania się obiektu rośnie proporcjonalnie do odległości dzielącej go od obserwatora, 50 tys. km/s odpowiada dwóm miliardom lat świetlnych. Aby przy tak dużej odległości osiągnąć obserwowaną jasność, 3C273 musiał w ciągu sekundy emitować znacznie więcej energii niż cała Droga Mleczna.

Po kilku latach okazało się, że tajemniczy obiekt jest bardzo jasnym („aktywnym”) jądrem dalekiej galaktyki, której zewnętrzne części niemal całkowicie giną w jego blasku. Skatalogowano już wtedy wiele galaktyk wykazujących rozmaite przejawy aktywności, ale ciągle nie wiadomo było, skąd pochodzi wyzwalana w nich energia. Zagadkę tę rozwiązał w 1977 r. angielski astronom Michael Rowan-Robinson, przedstawiając potwierdzony później przez niezliczone obserwacje obraz, w którym „galaktycznym silnikiem” jest supermasywna czarna dziura, a „paliwem” – opadająca na nią materia międzygwiazdowa. Podczas opadania materia rozgrzewa się tak silnie, że do 30 proc. jej masy zamienia się na energię emitowaną we wszystkich zakresach fal elektromagnetycznych – od radiowego aż po promienie gamma (dla porównania – w taką energię zamienia się tylko 0,7 proc. masy ładunku bomby termojądrowej).

Superdziura

Ze swymi 200 miliardami gwiazd Droga Mleczna zalicza się do galaktyk dużych. Pozwalało to przypuszczać, że i ona ma supermasywną czarną dziurę. Niestety, próby sprawdzenia tych domysłów za pomocą zwykłych teleskopów były z góry skazane na niepowodzenie. Centrum Drogi Mlecznej leży w tle gwiazdozbioru Strzelca w odległości 25 tys. lat świetlnych od Ziemi. Biegnące stamtąd światło widzialne grzęźnie w zwałach materii międzygwiazdowej i zanim do nas trafi, zostaje osłabione aż kilka miliardów razy. Żeby za tą zasłoną cokolwiek zobaczyć, trzeba prowadzić obserwacje na falach radiowych, w podczerwieni lub zakresie rentgenowskim i gamma.

W 1974 r. radioastronomowie odkryli w Strzelcu radioźródło przypominające właściwościami 3C273, lecz o wiele od niego słabsze, któremu nadali nazwę SgrA* (Sagittarius A star). Na jednoznaczną identyfikację tego obiektu było oczywiście za wcześnie (Rowan-Robinson miał ogłosić swoją hipotezę dopiero trzy lata później), ale trop okazał się właściwy. Kilkanaście lat później za pomocą instrumentów czułych na podczerwień odkryto w centrum Drogi Mlecznej gromadę gwiazd, które poruszają się z prędkościami sięgającymi 5 tys. km/s. Śledząc ich ruchy, astronomowie doszli do wniosku, że obiegają one niewidoczny obiekt o masie około 4 mln mas Słońca. Gdy zlokalizowano jego położenie, wyznaczając wspólne ognisko wszystkich gwiazdowych orbit, okazało się, że w tym samym miejscu tkwi SgrA*.

Tajemnicze radioźródło nie poruszało się prawie wcale, zdradzając tym samym, że to właśnie ono jest źródłem grawitacji, zmuszającej gwiazdy do biegania w kółko. Miało też niewielkie w skali kosmicznej rozmiary, co stwierdzono obserwując gwiazdę, która na oczach astronomów przeszła obok niego w odległości 120 promieni orbity Ziemi i spokojnie oddaliła się, nie doznając żadnego uszczerbku. Nie wystarczało to jednak, by uznać SgrA* za czarną dziurę.

Granicą czarnej dziury, rozumianej jako obszar czasoprzestrzeni, z którego nic (nawet światło) nie może się wydostać, jest tzw. horyzont zdarzeń, najczęściej nazywany po prostu horyzontem. Promień horyzontu najprostszej (nierotującej) dziury o masie 4 mln mas Słońca jest równy 0,08 promienia orbity Ziemi, i pewność co do natury SgrA* można było zdobyć dopiero po zaobserwowaniu struktur o takich właśnie rozmiarach. Obiekt wielkości 0,08 promienia orbity Ziemi widać z odległości 25 tys. lat świetlnych pod kątem 10 mikrosekund łuku. Mniej więcej takie same rozmiary kątowe miałoby ziarnko piasku na plaży Copacabana w Rio de Janeiro, gdyby dało się je zobaczyć z Warszawy.

Wprawdzie efekty związane z uginaniem promieni świetlnych w polu czarnej dziury mogą sprawić, że obserwowany horyzont zwiększa się nawet trzykrotnie, ale i tak badanie takiego drobiazgu wydaje się beznadziejne. Aby uzyskać rozdzielczość wystarczającą do obserwacji SgrA* w podczerwieni, musielibyśmy dysponować teleskopem o rozmiarach sporego miasta, a w zakresie radiowym – radioteleskopem wielkości całej naszej planety. O ile jednak podczerwonego teleskopu wielkości Radomia zbudować się nie da, o tyle radioteleskopy wielkości Ziemi już działają. Nie są to, oczywiście, pojedyncze przyrządy, lecz całe ich sieci, w których sygnały uzyskiwane z poszczególnych anten są składane elektronicznie w jeden radiowy obraz.

Na tropie cieni

Co właściwie mogą zobaczyć radioastronomowie, skoro z czarnej dziury nic do nas nie dociera? Otóż materia wciągana przez nią tworzy wirujący wokół niej cienki dysk. Dziura pochłania fale emitowane przez ukrytą za nią część dysku, dzięki czemu ujawnia się w postaci cienia na jego radiowej sylwetce.

Wprawdzie SgrA* pochłania dziś bardzo mało materii i może nie być otoczona dyskiem, ale nawet w takim przypadku powinniśmy zobaczyć jej cień na radiowym tle Drogi Mlecznej. Co więcej, w sąsiedztwie horyzontu emisja radiowa ulega wzmocnieniu wskutek ogniskowania w silnym polu grawitacyjnym, dzięki czemu cień dziury zostaje otoczony jasną aureolą. Im więcej szczegółów zawiera taki obraz, tym dokładniejszych informacji o czarnej dziurze i jej bezpośrednim otoczeniu może dostarczyć jego analiza.

Zachęceni taką perspektywą obserwatorzy nieustannie polepszają rozdzielczość swoich przyrządów. Siedem lat temu chińsko-amerykański zespół oszacował rozmiary SgrA* za pomocą sieci radioteleskopów VLBA (Very Long Baseline Array), której anteny są rozrzucone od Hawajów przez Amerykę Północną po Puerto Rico. Okazało się, że ten niezwykły obiekt ma rozmiary co najwyżej orbity Ziemi!

Po dalszych trzech latach udało się przestroić część zestawu VLBI na fale ponaddwukrotnie krótsze i dzięki temu dostrzec w SgrA* szczegóły wielkości 0,3 promienia orbity Ziemi. Zaś w styczniu br. odbyła się zorganizowana przez University of Arizona konferencja, której uczestnicy przeanalizowali możliwości rozbudowania VLBI i przestrojenia sieci radioteleskopów na fale submilimetrowe.

Postanowiono w ciągu kilku najbliższych lat połączyć ponad 50 przyrządów znajdujących się w obu Amerykach, Europie i na Antarktydzie w sieć EHT (ang. Event Horizon Telescope – Teleskop Horyzontu Zdarzeń). Jeszcze pięć lat temu taki pomysł uznano by za mrzonkę, ale dziś już można go urzeczywistnić. Przeszkodą nie powinny być nawet pieniądze: wstępna kalkulacja kosztów takiego przedsięwzięcia zamyka się kwotą kilkunastu milionów dolarów (dla porównania – 40-metrowy teleskop optyczny, którego budowę rozpoczyna Europejskie Obserwatorium Południowe, ma kosztować co najmniej miliard euro). Pierwszy krok na drodze do EHT został już zrobiony: 18 lipca br. do przyrządów pracujących w sieci VLBI dołączył znajdujący się w Chile teleskop APEX.

Wiele atrakcji na raz

Jeśli rzeczywiście uda się zaobserwować horyzont czarnej dziury, będzie to sukces porównywalny z odkryciem bozonu Higgsa. Ta perspektywa to główna, ale nie jedyna atrakcja SgrA*. Mniej więcej raz na dobę obiekt ten wyraźnie zwiększa jasność w dziedzinie rentgenowskiej, po czym powraca do stanu wyjściowego. Przyczynę tych zagadkowych rozbłysków próbowano objaśnić, doszukując się analogii ze zjawiskami zachodzącymi w koronie Słońca.

W lutym br. troje astronomów z Anglii i Holandii przedstawiło zupełnie inną hipotezę – tyleż ciekawą, co ekstrawagancką. Uważają oni, że źródłem błysków są wpadające do czarnej dziury planetoidy, które zostały oderwane od krążących wokół niej gwiazd. Czy ma to cokolwiek wspólnego z rzeczywistością, przekonamy się po opracowaniu danych zebranych na przełomie lipca i sierpnia za pomocą orbitalnego teleskopu rentgenowskiego Chandra.

W wielu aktywnych galaktykach z okolic centralnej dziury tryskają wąskie, skierowane w przeciwległe strony strumienie cząstek elementarnych pędzących prawie z szybkością światła – tzw. dżety. Niosą one olbrzymie ilości energii i osiągają długość milionów lat świetlnych. Dziś Droga Mleczna ich nie ma, ale nie zawsze tak było. W końcu maja br. okazało się, że kilka milionów lat temu SgrA* przechodził fazę wzmożonej aktywności, podczas której wyprodukował dżety o długości 27 tys. lat świetlnych i wydmuchał w ośrodku międzygalaktycznym wielkie, niemal puste pęcherze o takiej samej średnicy. Wydzieliło się przy tym tyle energii, ile cała nasza Galaktyka emituje w ciągu kilku tysięcy lat. Czarna dziura musiała wtedy pochłonąć obłoki międzygwiazdowe o łącznej masie co najmniej tysiąca mas Słońca. Nikłe już dziś ślady dżetów i pęcherzy znaleziono za pomocą kosmicznego teleskopu Fermiego, który pracuje w zakresie promieni gamma.

Na ucztę podobną do tej sprzed milionów lat SgrA* poczeka zapewne dość długo, ale już w najbliższych miesiącach dostanie przekąskę w postaci gazowo-pyłowego obłoku o masie około trzykrotnie większej od Ziemi. Ta stosunkowo niewielka chmura materii międzygwiazdowej, odkryta 20 lat temu przez astronomów z Europejskiego Obserwatorium Południowego, jest już dziś rozciągana i rozrywana przez grawitację czarnej dziury. Zgodnie z komputerowymi prognozami, część obłoku zostanie odrzucona w przestrzeń międzygwiazdową, zaś z pozostałego gazu i pyłu uformuje się wirujący wokół SgrA* dysk, który następnie zostanie praktycznie w całości wessany pod horyzont. Będą temu towarzyszyć dobrze widoczne z Ziemi rozbłyski w dziedzinie radiowej i rentgenowskiej (całkowicie dla nas niegroźne), których maksimum jest spodziewane w połowie przyszłego roku.

Tuż po zapadnięciu ciemności gwiazdozbiór Strzelca widnieje teraz nisko nad południowym horyzontem. Warto spojrzeć w ten skrawek nieba i pomyśleć o kosmicznych dramatach, jakie się rozgrywały i będą się jeszcze rozgrywać daleko za świecącymi w nim gwiazdami. Choćby po to, by zobaczyć siebie w innej niż codzienna perspektywie.

Polityka 36.2012 (2873) z dnia 05.09.2012; Nauka; s. 64
Oryginalny tytuł tekstu: "Mroczne serce naszej Galaktyki"
Więcej na ten temat
Reklama

Codzienny newsletter „Polityki”. Tylko ważne tematy

Na podany adres wysłaliśmy wiadomość potwierdzającą.
By dokończyć proces sprawdź swoją skrzynkę pocztową i kliknij zawarty w niej link.

Informacja o RODO

Polityka RODO

  • Informujemy, że administratorem danych osobowych jest Polityka Sp. z o.o. SKA z siedzibą w Warszawie 02-309, przy ul. Słupeckiej 6. Przetwarzamy Twoje dane w celu wysyłki newslettera (podstawa przetwarzania danych to konieczność przetwarzania danych w celu realizacji umowy).
  • Twoje dane będą przetwarzane do chwili ew. rezygnacji z otrzymywania newslettera, a po tym czasie mogą być przetwarzane przez okres przedawnienia ewentualnych roszczeń.
  • Podanie przez Ciebie danych jest dobrowolne, ale konieczne do tego, żeby zamówić nasz newsletter.
  • Masz prawo do żądania dostępu do swoich danych osobowych, ich sprostowania, usunięcia lub ograniczenia przetwarzania, a także prawo wniesienia sprzeciwu wobec przetwarzania, a także prawo do przenoszenia swoich danych oraz wniesienia skargi do organu nadzorczego.

Czytaj także

Nauka

Skąd dramatyczne wahania liczby infekcji covid-19?

Czym tłumaczyć gwałtowny spadek raportowanych zakażeń koronawirusem? Rozmawiamy z dr. Franciszkiem Rakowskim z ICM, który modeluje przebieg pandemii od samego jej początku.

Karol Jałochowski
26.11.2020
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną