Coraz więcej czarnych dziur na niebie

Czarne dziury są wielką zagadką dla nauki. To osobliwości kosmiczne równie dziwne i niewytłumaczalne jak Wielki Wybuch. Nikt nie ma pojęcia, co się w tych tworach dzieje – jeśli w ogóle rozgrywają się tam jakieś procesy – i czym jest materia dziesiątków czy nawet miliardów gwiazd o masie naszego Słońca, zapadnięta do punktu matematycznego. Nawet pobliże czarnych dziur – czyli tzw. horyzont zdarzeń – jest dla nas zupełnie niepojęte. I być może pozostanie takie już na zawsze. Zwykłe – chociaż to pojęcie do czarnych dziur zupełnie nie pasuje – gwiazdowe czarne dziury powstają z wybuchających gwiazd supernowych. Jeśli gwiazda ma masę powyżej ośmiu Słońc i ustają w niej reakcje jądrowe, zwykle przechodzi fazę gwałtownej zapaści. To nagłe zapadnięcie się materii gwiazdy po odbiciu od jądra wywołuje falę uderzeniową, która rozsadza cały obiekt – następuje wówczas wybuch supernowej. Jeśli masa gwiazdy przewyższała masę 20 Słońc, w trakcie wybuchu doznaje ona kolapsu grawitacyjnego, czyli całkowitego zapadnięcia się, tworząc czarną dziurę. Pozostałość jest mała i czarna, ponieważ nic, nawet światło, nie może się z niej wydostać. Tak rodzą się tzw. gwiazdowe czarne dziury, czyli obiekty o masach od kilku do 30 mas Słońca. Ich istnienie przewidział już astronom Pierre Simon de Laplace w XVIII w. Zaczęto je odkrywać 40 lat temu. W kosmosie występuje ich wiele, także w Drodze Mlecznej, trudno je jednak zauważyć, gdyż widoczny może być tylko dysk otaczającej czarną dziurę materii. Szczególnie gdy materia ta do dziury wpływa – wówczas niezwykle się rozgrzewa i emituje silne promieniowanie, głównie rentgenowskie. Brakujące ogniwo Istnieją także supermasywne czarne dziury leżące w centrach niemal wszystkich galaktyk. Mają masę od kilkuset tysięcy do kilkunastu miliardów naszych Słońc. Są wśród nich obiekty bardzo aktywne – emitujące dawki promieniowania porównywalne z aktywnością całej galaktyki. Jeśli znajdują się daleko i powstały wiele miliardów lat temu – noszą nazwę kwazarów. Inne to czarne dziury w tzw. galaktykach aktywnych. Otaczające je dyski materii mogą przekraczać rozmiary Układu Słonecznego. Obserwuje się je w okresach największej aktywności, a więc gdy pochłaniają z otaczających je dysków materię. Inne supermasywne czarne dziury – jak ta w centrum naszej Galaktyki – są mniejsze („nasza” ma masę ok. 4 mln Słońc) i znajdują się w fazie poobiedniej. Dlatego ich aktywność jest znacznie osłabiona. Do dzisiaj pozostaje zagadką, jak supermasywne czarne dziury powstają. Czy tworzą się wraz z narodzinami całej galaktyki, w procesie zapaści protogalaktycznego obłoku materii, czy już po fakcie, z łączenia się mniejszych czarnych dziur? Wiadomo tylko, że centralne, ogromne czarne dziury mają znaczący wpływ na ewolucję galaktyk, na ich wielkość, procesy narodzin gwiazd, aktywność itd. W latach 80. XX w. odkryto tzw. ultraintensywne źródła rentgenowskie (ULX – ultraluminous X-ray source). Są to obiekty emitujące gigantyczne dawki promieniowania rentgenowskiego. Wprawdzie mniejsze niż supermasywne czarne dziury, ale większe niż jakiekolwiek inne obiekty kosmiczne. Na pewno nie są centralnymi obiektami galaktycznymi, ponieważ odnajduje się je zwykle w ramionach galaktyk, a czasem wręcz na ich obrzeżach. Dość szybko badacze nieba powzięli podejrzenie, że mogą one reprezentować trzecią, „brakującą” grupę czarnych dziur we Wszechświecie, czyli obiektów pośrednich o wielkościach od kilkuset do kilkunastu tysięcy mas Słońca. Jak jednak takie obiekty mogłyby się narodzić? Chyba nie z gwiazd, ponieważ największe gwiazdy miewają masę ok. 100–200 Słońc. Największa dotąd zaobserwowana gwiazda Wszechświata – w gromadzie młodych gwiazd R136, w mgławicy Tarantula (30 Doradus) w Wielkim Obłoku Magellana – w chwili narodzin miała masę 300 Słońc. Więc nawet z największych gwiazd nie mogłyby powstawać czarne dziury o masach przecież znacznie większych. Uczeni przyjęli, że obiekty ULX to najprawdopodobniej czarne dziury, i zaproponowali kilka interpretacji tego zjawiska. Na przykład, że powstają one z kolizji i łączenia się gwiazd w zwartych gromadach (są to bardzo stare gwiazdy zawierające wyłącznie wodór i hel) – stąd ich wielkie rozmiary, które po kolapsie grawitacyjnym dają odpowiednio bardzo masywne czarne dziury. Lub że pośrednie czarne dziury powstają z kolizji i łączenia się zwykłych gwiazdowych czarnych dziur. W 2009 r. w galaktyce ESO 243-49 odkryto twór o nazwie HLX-1, czyli tzw. hyper luminous X-ray source, a więc ekstremalnie intensywne źródło, emitujące 100 razy większe promieniowanie niż przeciętne ULX. I 10 razy intensywniejsze niż najsilniejsze źródła tego typu obserwowane wcześniej. Uważa się, że musi mieć masę znacznie przekraczającą 500 Słońc. Jeden z odkrywców leżącego ok. 300 mln lat świetlnych od nas obiektu HLX-1 Sean Farrell z University of Leicester wyjaśnia: „Bez uznania HLX-1 za pośrednią czarną dziurę bardzo trudno byłoby w ogóle wyjaśnić jego istnienie. Jakie obiekty mogą mieć masy od 500 do 10 tys. mas Słońca? Tylko pośrednie czarne dziury. Dlatego HLX-1 tak bardzo przyciąga uwagę całego międzynarodowego środowiska astronomów”. Zespół Farrella, dzięki dokładnym obliczeniom intensywności oddziaływań HLX-1, zdołał nawet ustalić maksymalną wielkość czarnych dziur, będących źródłami ekstremalnie intensywnego promieniowania rentgenowskiego. Uważa się, że obiekty takie mogą mieć masy nawet 20 tys. Słońc. Jeśli tak jest w istocie, mamy do czynienia z zupełnie nową kategorią obiektów kosmicznych. Dlatego odkrycie HLX-1 uznano za przełomowe i pisały o nim najbardziej renomowane czasopisma naukowe.   Przełom z przełomu wieków Choć superjasnych źródeł promieniowania rentgenowskiego odkrywano coraz więcej, uczeni tylko podejrzewali, że mogą one być średniej wielkości czarnymi dziurami, ale żadnych dowodów na to nie było. Przełom nastąpił na początku XXI w., gdy Jeffrey McClintock z Harvardu i Ronald Remillard z MIT odkryli oscylacje w promieniowaniu rentgenowskim gwiazdowych czarnych dziur, odnajdywanych stosunkowo licznie także w naszej Galaktyce. Są to oscylacje odkrywane w dyskach akrecyjnych dziur, wywołane zmiennością emitowanego przez te dyski promieniowania rentgenowskiego. Gazowo-pyłowy dysk rozgrzewa się (najmocniej w pobliżu czarnej dziury) i emituje wówczas promieniowanie X. Oscylacje (drgania) to zmienności w tym promieniowaniu odzwierciedlające przemiany zachodzące w materii dysku. Udało się znaleźć aż kilka obiektów, w których wykryto takie oscylacje, a jednocześnie niezależnie, czyli metodami obserwacyjnymi – optycznymi – udało się pomierzyć masy czarnych dziur. We wszystkich przypadkach zarejestrowano coś tajemniczego, a mianowicie, że dwie najsilniejsze oscylacje charakteryzował stosunek częstości 3:2. Przykładowo, wykryto, że dysk akrecyjny czarnej dziury o masie pięciu mas Słońca wahał się 450 i 300 razy na sekundę. Częstotliwości te zależą od prędkości obracania się dysku akrecyjnego. Im jest mniejszy, tym szybciej się porusza i oscylacje zachodzą częściej. – Wykrywamy więc dwie często