Astronomowie z Uniwersytetu w Portsmouth (University of Portsmouth) oraz Federalnego Uniwersytetu Rio Grande do Sul (Universidade Federal do Rio Grande do Sul) w Brazylii ogłosili odkrycie obiektu uznanego za największą czarną dziurę, jaką kiedykolwiek zaobserwowano. Znajduje się ona w sercu jednej z najbardziej rozległych galaktyk znanych nauce — Kosmicznej Podkowy — i ma masę szacowaną na 36 miliardów Słońc. To aż 10 tysięcy razy więcej niż czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej, czyli naszej Galaktyki.
Gigant bliski granic istnienia
Nowo zmierzony obiekt to tzw. ultramasywna czarna dziura, której masa zbliża się do teoretycznego górnego limitu przewidywanego przez obecne modele ewolucji czarnych dziur i galaktyk we Wszechświecie. Wyniki badań opublikowano w Miesięczniku Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society).
— To jedna z dziesięciu najbardziej masywnych znanych nam czarnych dziur, a być może nawet najmasywniejsza — powiedział profesor astrofizyki Thomas Collett z Uniwersytetu w Portsmouth. — Większość wcześniejszych pomiarów masy tego typu obiektów jest pośrednia i obarczona dużymi marginesami błędów. Jednak w tym przypadku mamy znacznie większą pewność dzięki nowej metodzie.
Kosmiczna Podkowa i efekt soczewkowania grawitacyjnego
Galaktyka Kosmiczna Podkowa jest tak ogromna, że zniekształca czasoprzestrzeń i zakrzywia światło dochodzące od znajdującej się za nią innej galaktyki. Efekt ten tworzy charakterystyczny, niemal idealny pierścień Einsteina w kształcie podkowy.
To właśnie zjawisko soczewkowania grawitacyjnego oraz kinematyka gwiazd — badanie ruchu gwiazd w galaktyce — pozwoliły na dokładne oszacowanie masy czarnej dziury.
— Wykryliśmy wpływ czarnej dziury na dwa sposoby — zmienia ona tor światła przechodzącego w jej pobliżu oraz powoduje, że gwiazdy w wewnętrznych rejonach galaktyki poruszają się niezwykle szybko, prawie 400 km/s — wyjaśnia Collett. — Łącząc te dwa pomiary, możemy być całkowicie pewni, że czarna dziura jest prawdziwa.
Co to jest pierścień Einsteina?
Pierścień Einsteina to szczególny przypadek soczewkowania grawitacyjnego, w którym źródło światła, obiekt soczewkujący (np. masywna galaktyka) i obserwator znajdują się w niemal idealnej linii prostej. Zakrzywione przez grawitację promienie świetlne tworzą wtedy symetryczny obraz w postaci jasnego pierścienia wokół obiektu soczewkującego.
Soczewkowanie grawitacyjne
To zjawisko przewidziane przez teorię względności Einsteina. Ogromna masa obiektu zakrzywia czasoprzestrzeń, przez co promienie świetlne zmieniają swój tor. Jeśli galaktyka znajduje się dokładnie między nami a innym źródłem światła (np. odległą galaktyką), obraz tego źródła może zostać powiększony i zniekształcony w łuk lub pierścień.
Kinematyka gwiazd
To dział astronomii badający ruch gwiazd w galaktykach. Analizuje się m.in. ich prędkości i kierunki poruszania się, co pozwala określić rozkład masy w galaktyce, w tym obecność niewidocznych obiektów, takich jak czarne dziury czy ciemna materia.
Uśpiony gigant
Co szczególnie niezwykłe, czarna dziura w Kosmicznej Podkowie jest „uśpiona” — obecnie nie pochłania aktywnie materii, więc nie świeci jak kwazar i nie emituje intensywnego promieniowania rentgenowskiego.
— Jej wykrycie opierało się wyłącznie na ogromnej sile grawitacyjnej i wpływie, jaki wywiera na swoje otoczenie — podkreśla Carlos Melo, doktorant z Federalnego Uniwersytetu Rio Grande do Sul i główny autor badań. — Ta metoda pozwala nam wykrywać i mierzyć masy takich ukrytych ultramasywnych czarnych dziur w całym Wszechświecie, nawet gdy są one całkowicie „ciche”.
Uśpiona a aktywna czarna dziura:
- aktywna – pochłania materię z otoczenia poprzez dysk akrecyjny, emitując silne promieniowanie, często w postaci dżetów i promieniowania rentgenowskiego,
- uśpiona – nie przyciąga obecnie dużych ilości materii, przez co jest trudna do wykrycia w świetle widzialnym i innych zakresach fal.
Związek między rozmiarem galaktyki a czarnej dziury
Badacze przypuszczają, że istnieje ścisła korelacja między masą galaktyki a masą jej centralnej czarnej dziury.
— Kiedy galaktyki rosną, mogą kierować materię do swojego centrum. Część z niej powiększa czarną dziurę, ale znaczna część świeci jako niezwykle jasne źródło zwane kwazarem. Kwazary oddają olbrzymie ilości energii swoim galaktykom macierzystym, co uniemożliwia formowanie się nowych gwiazd — tłumaczy Collett.
Kwazar
To jądro bardzo aktywnej galaktyki, w którym supermasywna czarna dziura pochłania ogromne ilości materii z otoczenia. Proces ten tworzy efektowny dysk akrecyjny z rozgrzanej do milionów stopni materii, emitującej intensywne promieniowanie elektromagnetyczne — od fal radiowych po promieniowanie rentgenowskie. Kwazary potrafią być jaśniejsze niż cała galaktyka, w której się znajdują, i są jednymi z najpotężniejszych źródeł energii we Wszechświecie.
Kosmiczna Podkowa jako „skamieniała grupa galaktyk”
Kosmiczna Podkowa jest przykładem tzw. skamieniałej grupy galaktyk (fossil group) — końcowego etapu ewolucji największych grawitacyjnie związanych struktur we Wszechświecie. Powstają one, gdy pierwotnie liczne galaktyki łączą się w jedną, pozbawioną jasnych sąsiadów.
— Najprawdopodobniej wszystkie supermasywne czarne dziury z galaktyk towarzyszących również połączyły się, tworząc ultramasywną czarną dziurę, którą teraz wykryliśmy — mówi Collett. — Widzimy tu końcowy etap formowania się galaktyk i czarnych dziur.
Czy to przyszłość Drogi Mlecznej?
Droga Mleczna i Galaktyka Andromedy zbliżają się do siebie i, według obecnych szacunków, prawdopodobnie zderzą się za około 4,5 miliarda lat. Proces ten nie będzie gwałtowną kolizją w sensie mechanicznym — odległości między gwiazdami są tak duże, że większość z nich minie się bez zderzeń. Jednak grawitacja obu galaktyk spowoduje powstanie jednego, znacznie większego układu. W jego centrum znajdzie się ultramasywna czarna dziura, powstała z połączenia czarnych dziur obu galaktyk — podobnie jak w przypadku Kosmicznej Podkowy.
Jak udało się zmierzyć tak odległy obiekt?
Zwykle pomiary mas czarnych dziur w odległych galaktykach możliwe są tylko wtedy, gdy obiekt jest aktywny — czyli gdy pochłania materię i emituje intensywne promieniowanie, które można zmierzyć. W przypadku czarnych dziur „uśpionych” takie metody zawodzą.
— Typowo dla tak odległych układów pomiary masy są możliwe jedynie, gdy czarna dziura jest aktywna. Ale te oparte na akrecji oszacowania często mają duże niepewności. Nasze podejście, łączące silne soczewkowanie z dynamiką gwiazd, daje dokładniejsze i bardziej bezpośrednie wyniki — zaznacza Melo.
Na czym polega zastosowana metoda?
Zespół badawczy połączył dwie techniki:
- silne soczewkowanie grawitacyjne – wykorzystano fakt, że galaktyka Kosmiczna Podkowa zakrzywia światło dochodzące z jeszcze dalszej galaktyki, tworząc charakterystyczny obraz w kształcie podkowy. Analiza kształtu i stopnia zniekształcenia tego obrazu pozwala określić całkowitą masę galaktyki soczewkującej, w tym masę centralnej czarnej dziury.
- kinematyka gwiazd – zmierzono prędkości gwiazd poruszających się w wewnętrznych rejonach galaktyki. Szybszy ruch gwiazd świadczy o silniejszym polu grawitacyjnym, co z kolei wskazuje na obecność masywnego obiektu w centrum.
Połączenie tych metod daje wyjątkowo precyzyjne wyniki, ponieważ soczewkowanie pozwala „zobaczyć” całkowitą masę z dużej odległości, a kinematyka gwiazd potwierdza i uszczegóławia pomiar. Dzięki temu możliwe było wiarygodne oszacowanie masy czarnej dziury, mimo że znajduje się ona około 5 miliardów lat świetlnych od Ziemi i jest całkowicie nieaktywna.
To nie koniec badań nad odkrytym obiektem
Odkrycie było efektem ubocznym badań nad rozkładem ciemnej materii w Kosmicznej Podkowie. Teraz, gdy metoda okazała się skuteczna, naukowcy planują wykorzystać dane z kosmicznego teleskopu Euclid Europejskiej Agencji Kosmicznej (European Space Agency), aby wyszukiwać kolejne supermasywne i ultramasywne czarne dziury oraz badać, jak wpływają one na proces powstawania gwiazd.
Euclid to teleskop kosmiczny wystrzelony w 2023 roku przez Europejską Agencję Kosmiczną. Jego głównym celem jest stworzenie trójwymiarowej mapy Wszechświata, obejmującej miliardy galaktyk na przestrzeni ostatnich 10 miliardów lat kosmicznej historii. Obserwacje w świetle widzialnym i podczerwonym mają pomóc w badaniach nad ciemną materią i ciemną energią — dwiema tajemniczymi składowymi Wszechświata. Euclid, dzięki wysokiej rozdzielczości i szerokiemu polu widzenia, umożliwia również wyjątkowo precyzyjne analizy soczewkowania grawitacyjnego, co czyni go doskonałym narzędziem do poszukiwań masywnych czarnych dziur w odległych galaktykach.
Podsumowanie
Odkrycie czarnej dziury o masie 36 miliardów Słońc w Galaktyce Kosmiczna Podkowa to nie tylko nowy rekord w annałach kosmologii i astrofizyki, ale też nowy rozdział w badaniach nad ewolucją galaktyk i ich centralnych supermasywnych czarnych dziur. Dzięki nowatorskiemu połączeniu soczewkowania grawitacyjnego i kinematyki gwiazd astronomowie potrafią zdobywać wiedzę nawet o tych obszarach Wszechświata, które do niedawna pozostawały poza zasięgiem instrumentów pomiarowych.
Być może w obrazie Kosmicznej Podkowy widzimy zapowiedź przyszłości Drogi Mlecznej — kiedy za miliardy lat połączy się z Andromedą, tworząc własną Gargantuę w sercu nowej galaktyki.
źródła: sciencedaily.com, space.com, port.ac.uk
Dodaj komentarz