Czarne dziury są prawdopodobnie najdziwniejszymi i najbardziej tajemniczymi obiektami w znanym wszechświecie. Nikt ich nie widział, ale naukowcy są pewni, że istnieją. Są nie tylko przewidywane przez Einsteina, ich obecność jest pośrednio potwierdzana przez wpływ, jaki wywierają na otaczającą ich czasoprzestrzeń. Wiemy coś o tych obiektach, ale nie wiemy więcej. Zdaniem naukowców zrozumienie zjawiska czarnych dziur, aw szczególności procesów, które zachodzą w ich centrach, pozwoli nam nie tylko zrozumieć, ale także da nam możliwość kontrolowania bardzo podstawowych sił przyrody, na przykład samej grawitacji.
Każdego roku naukowcy opisują krok po kroku odkrycia związane z czarnymi dziurami, co prowadzi do bliższego zrozumienia ich natury. Dzisiaj porozmawiamy o dziesięciu ostatnich.
Wiele czarnych dziur o masie pośredniej
Wśród rodziny czarnych dziur być może najbardziej znane są tak zwane czarne dziury o średniej (lub pośredniej) masie. Są to czarne dziury, których masa jest znacznie większa niż masa czarnych dziur o wielkości gwiazdowej (od 10 do kilkudziesięciu mas Słońca), ale znacznie mniejsza niż masa supermasywnych czarnych dziur (od miliona do setek milionów mas Słońca). Wcześniej zakładano, że ten typ czarnej dziury występuje znacznie rzadziej niż wskazywały pozostałe dwie klasy, ale niedawne odkrycie obaliło tę opinię.
W 2018 roku naukowcy znaleźli miejsce, w którym najczęściej znajdują się takie obiekty. Jak dotąd z niewyjaśnionych powodów czarne dziury o średniej masie znajdują się najczęściej w centrach małych galaktyk. Kiedy naukowcy to odkryli, rzadka czarna dziura nie była już rzadka. Co więcej, to odkrycie może pomóc rozwiązać inną zagadkę związaną z czarnymi dziurami.
Jednym z najpilniejszych pytań współczesnej astronomii jest natura supermasywnych czarnych dziur. Naukowcy nie mogą zrozumieć, w jaki sposób niektóre z odkrytych supermasywnych czarnych dziur w stosunkowo zwartych galaktykach bardzo szybko urosły od czasu Wielkiego Wybuchu. Te same czarne dziury o średniej masie mogą wskazywać na poprawną odpowiedź. Według jednego z założeń supermasywne czarne dziury mogły wyrosnąć z czarnych dziur o średniej masie, według innego - tak się rodziły od samego początku. Ale jak? Naukowcy nie mogą jeszcze udzielić dokładnej odpowiedzi, ale wydaje się, że zaczynają podążać we właściwym kierunku.
Film promocyjny:
Tajemnicze obiekty w pobliżu Sagittarius A *
Sagittarius A * to supermasywna czarna dziura znajdująca się w centrum naszej galaktyki. Na początku XXI wieku naukowcy odkryli obok niego dwa tajemnicze obiekty. Nazywano je obiektami klasy G i pierwotnie mylono je z chmurami gazu i pyłu. Tajemnica zaczęła się po tym, jak te obiekty zbliżyły się do czarnej dziury. Obiekty G1 i G2, zamiast zostać rozerwane przez potężną grawitację supermasywnej czarnej dziury, w jakiś sposób były w stanie przetrwać.
W 2018 roku naukowcy odkryli trzy kolejne obiekty klasy G (G3, G4, G5) w pobliżu Sagittarius A *. Analiza danych zebranych przez 12 lat nie wyjaśniła ostatecznie astronomom tego obrazu. Obiekty przyciągają uwagę swoimi niezwykłymi właściwościami. Wszystkie pięć obiektów G ma charakterystyczne wizualne sygnatury obłoków gazu, ale zachowują się jak gwiazdy o ogromnej masie.
Na tej podstawie naukowcy przyjęli założenie, że napotkali bardzo rzadki typ gwiazd, nietypowy dla naszej galaktyki. Naukowcy wyjaśniają pojawienie się tych obiektów wyjątkowymi warunkami w pobliżu supermasywnej czarnej dziury: tutaj, pod wpływem silnej grawitacji, gwiazdy podwójne mogą zapaść się, tworząc pojedynczy, duży obiekt otoczony grubymi powłokami gazowo-pyłowymi. Niemniej jednak naukowcy zauważają, że nie wszystkie obiekty mają podobne orbity wokół czarnej dziury, więc nie mogą jeszcze dokładnie wyjaśnić natury zjawiska, które widzieli.
Najstarsza czarna dziura
Odkrycie najstarszej czarnej dziury to nie tylko kwestia wieku. Odkrycie tego starca może pomóc nam rozwiązać wiele interesujących zagadek związanych z erą, w której pierwsze gwiazdy we wszechświecie zaczęły się zapalać.
Według naukowców odkryta w 2017 roku czarna dziura ULAS J1342 + 0928 narodziła się zaledwie około 690 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Kiedy kosmos miał zaledwie 5 procent dzisiejszego wieku, ta czarna dziura była już 800 milionów razy większa od masy naszego Słońca.
Obiekt znajduje się około 13,1 miliarda lat świetlnych od Ziemi i powstał we wczesnych dniach wszechświata. Okres ten nazywany jest często erą reionizacji, kiedy to w wyniku przyciągania grawitacyjnego zaczęły pojawiać się pierwsze gwiazdy, galaktyki, gromady i supergromady galaktyk. Pełny obraz reionizacji wciąż nie jest jasny dla naukowców, więc czarne dziury, które pojawiły się w tym okresie, z pewnością mogą być jednym z najciekawszych źródeł nowych informacji.
Jak wspomniano powyżej, naukowcy również nie mogą zrozumieć, jak w tak krótkim czasie po Wielkim Wybuchu czarne dziury były w stanie zgromadzić ogromną ilość masy. Obiekty takie jak ULAS J1342 + 0928 mogą rzucić światło na to pytanie, ale aby wyciągnąć jakiekolwiek wnioski, dobrze byłoby znaleźć co najmniej kilka podobnych kosmicznych dinozaurów. Niestety czarne dziury epoki reionizacji są niezwykle rzadkie.
Najszybciej rosnąca czarna dziura
W 2018 roku naukowcy odkryli „głodną” czarną dziurę w znanym wszechświecie. Każdego dnia co sekundę zużywa masę odpowiadającą masie naszego Słońca, dzięki czemu również szybko rośnie. Na szczęście dla nas jest bardzo daleko. Gdyby ten potwór znajdował się w centrum Drogi Mlecznej, to wytwarzane przez niego promienie rentgenowskie wysterylizowałyby Ziemię z wszelkiego życia.
Kiedy naukowcy odkryli pierwsze światło kwazara J2157-3602 związane z tą czarną dziurą, oszacowano jej wiek na 12 miliardów lat. Gdy tylko naukowcy potwierdzili, że obok kwazara naprawdę znajduje się czarna dziura, jej masa wynosiła już około 20 miliardów mas Słońca. W tej chwili astronomowie nie potrafią wyjaśnić przyczyny szybkiego wzrostu czarnej dziury.
Jedyne, co wiadomo o tym obiekcie, to to, że jego apetyty ogrzewają otaczający go gaz i pył do takiego stanu, że ich jasność z łatwością przyćmiewa światło prawie wszystkich gwiazd na niebie.
Ukryty klaster
Jedna gromada galaktyk może zawierać setki, a nawet tysiące galaktyk. Gromady te są uważane przez naukowców za jedne z największych obiektów we wszechświecie. Czy myślisz, że takiego szeptu nie da się ukryć za pomocą jednego obiektu kosmicznego? Mylisz się. Jeden kwazar udowodnił, że jest inaczej.
Odkryty obiekt nazwano PKS1353-341 i pierwotnie miał być oddzielną galaktyką z niesamowicie jasnym regionem centralnym. Jednak astronomowie z Massachusetts Institute of Technology w 2018 roku odkryli prawdę, która była ukrywana przez kilka dziesięcioleci od czasu odkrycia obiektu. Okazało się, że obiekt nie jest galaktyką, ale pojedynczym kwazarem (regionem gorącego gazu otaczającego supermasywną czarną dziurę), który znajduje się w centrum całej gromady galaktyk znajdującej się 2,4 miliarda lat świetlnych od Ziemi.
Kwazar był tak jasny, że dosłownie przesłaniał całą otaczającą przestrzeń zawierającą setki galaktyk. Naukowcy z MIT obliczyli jego jasność i okazało się, że jest ona 46 miliardów razy jaśniejsza od Słońca. Zdaniem naukowców taka ekstremalna jasność jest związana z pochłanianiem dużej ilości otaczającej materii przez centralną supermasywną czarną dziurę.
Systemy podwójne
Kolejną tajemnicą dla naukowców jest tak zwany sobowtór, czyli sparowane czarne dziury, które owijają się wokół siebie. Przypadki zderzeń czarnych dziur zostały już odnotowane przez naukowców w przeszłości. Dwie zostały zidentyfikowane w 2015 r., A jedna w 2017 r. Zaskakujące jest to, że dzięki temu ostatniemu naukowcy po raz pierwszy stali się bezpośrednimi świadkami równie rzadkiego zjawiska.
W odebranym sygnale zderzenia dwóch czarnych dziur zanotowano oznaki falowania grawitacyjnego czasoprzestrzeni - zmianę pola grawitacyjnego, rozchodzącą się jak fale. W tym przypadku obie czarne dziury nie zostały zniszczone, ale połączone w jedną całość - supermasywną czarną dziurę, nawet większą niż jej przodkowie.
Naukowcy mają dwa założenia dotyczące natury pojawiania się układów z podwójnych czarnych dziur. Według jednego, podwójne czarne dziury pojawiają się, gdy umierają podwójne układy gwiazd. Według drugiego, czarne dziury powstają niezależnie od siebie, a następnie dryfując w przestrzeni przyciągają się do siebie pod wpływem sił grawitacyjnych.
Śmiertelna bańka
W 2018 roku fizycy zasugerowali inny scenariusz apokalipsy: Ziemię mogą zniszczyć czarne dziury. Rok wcześniej świat naukowy świętował potwierdzenie odkrycia fal grawitacyjnych, zjawiska, które rozciąga i kurczy tkankę rzeczywistości. Ta moc jest zabójcza.
W nowej teorii naukowcy z Princeton University przewidzieli jeden ze scenariuszy tego, co mogłoby się wydarzyć, gdyby w wyniku wysokoenergetycznych kosmicznych kataklizmów (na przykład, gdy dwie czarne dziury lub dwie gwiazdy neutronowe się zetknęły) zderzyły się ze sobą powstające fale grawitacyjne.
Dla celów ilustracyjnych fale grawitacyjne są często porównywane do kręgów w wodzie, które pojawiają się, gdy rzucany jest kamień. Jeśli jednak cząstka lub obiekt porusza się z prędkością światła, mogą pojawić się płaskie fale grawitacyjne. Zdaniem naukowców, jeśli fale są wystarczająco duże, ich zderzenie może stworzyć gigantyczną czarną dziurę, która zmieni przestrzeń i czas na ogromnym obszarze kosmosu.
Jeśli stanie się to obok Ziemi, to nie tylko wszystkie żyjące istoty, ale także sama planeta i cały układ słoneczny dobiegną końca.
Rogue Black Hole
Naukowcy wielokrotnie zastanawiali się nad możliwością „wyrzucenia” przez galaktyki ich centralnych czarnych dziur. Jednak przez długi czas astronomowie nie mogli znaleźć dowodów na to zjawisko. Jednak w 2017 roku galaktyka 3C186 przedstawiła badaczom kosmosu prawdziwą niespodziankę.
Zdaniem naukowców wcześniej galaktyka 3C186 była dwiema oddzielnymi galaktykami, które w pewnym momencie ich historii połączyły się w jedną. Nowa galaktyka przyjęła dość wyraźne kontury i kształt, zamiast rzekomej nieuporządkowanej struktury, ale główne zaskoczenie przyszło z jej centrum: naukowcy pełni nadziei na znalezienie w niej supermasywnej czarnej dziury w ogóle nic nie znaleźli.
Później czarną dziurę wciąż odkrywano, zaledwie 35 000 lat świetlnych od centrum galaktyki 3C186. Kiedy zderzyły się dwie gromady gwiazd, zderzyły się ich centralne galaktyczne czarne dziury, ostatecznie tworząc supermasywną czarną dziurę. To zdarzenie najprawdopodobniej stworzyło bardzo potężne fale grawitacyjne, które wypchnęły tę nowo powstałą czarną dziurę z galaktyki, wyjaśniają naukowcy.
Okazało się to jednak nie takie łatwe - kontynuują naukowcy. Wyrzucenie czarnej dziury z centrum galaktyki wymagało energii równoważnej eksplozji 100 milionów supernowych. Naukowcy wciąż nie zorientowali się, co się tam właściwie wydarzyło, ale już teraz staje się jasne, że istnieją siły, które mogą wytrzymać nawet moc samych czarnych dziur.
Co ciekawe, zbuntowana czarna dziura nadal porusza się w kierunku krawędzi swojej galaktyki. Przy obecnym tempie zostanie całkowicie wyrzucony poza nią za około 20 milionów lat.
Odwróć czas
Czarne dziury powstają, gdy zachodzi grawitacyjne kolaps (kompresja) wystarczająco masywnej gwiazdy lub zapadanie się centralnej części galaktyki lub gazu protogalaktycznego. W tej chwili w kosmos zostaje wyrzucona kolosalna ilość promieniowania gamma. To z kolei jest najjaśniejszym zjawiskiem elektromagnetycznym zachodzącym we Wszechświecie i wciąż nie jest w pełni zrozumiałe dla naukowców.
W 2018 roku w przechwyconych sygnałach promieniowania gamma znaleziono bardzo dziwne znaki, które według naukowców z NASA można zinterpretować jako „odwrócenie czasu”. Zwykle każde zdarzenie promieniowania gamma emituje sygnaturę falową, która nigdy się nie powtarza. Wykryte sygnały zawierały anomalie, których, jak się okazało, nie da się wyjaśnić z punktu widzenia żadnego modelu teoretycznego. Sygnały te były specjalnymi strukturami przypominającymi fale, które obracały się w czasie tak, jakby ich początek był pod koniec wybuchu, a koniec - w pierwszych chwilach wybuchu.
Niektórym fizykom wystarczyła taka obserwacja, aby uzyskać dowód na odwrócenie czasu. Według innego i najprawdopodobniej bardziej realistycznego wyjaśnienia, promienie emitowanej przez nie promieniowania gamma mogą zderzyć się z jakąś materią, która nadała falom sygnaturę zaakceptowaną przez naukowców w odwrotnym przebiegu czasu. Jest całkiem możliwe, że promienie uderzają w jakiś rodzaj nagromadzonej materii, która działała na nich jak odbijająca powierzchnia. Nie jest jednak wykluczone, że mówimy o zupełnie nowym prawie fizyki, którego pierwszym przykładem byli naukowcy w 2018 roku.
Duchy zaginionych wszechświatów
W sierpniu tego roku brytyjski fizyk z Uniwersytetu Oksfordzkiego Roger Penrose wydał bardzo głośne oświadczenie. On i jego zespół argumentują, że przed nadejściem naszego wszechświata, czyli przed Wielkim Wybuchem, istniał inny wszechświat. Do tego wniosku doprowadziła seria obserwowanych anomalii świetlnych w mikrofalowym promieniowaniu tła, które według Penrose'a są lekkimi spiralami pozostałymi po czarnych dziurach, które należały do poprzedniego wszechświata, który istniał przed Wielkim Wybuchem.
W jednej ze swoich teorii jeszcze bardziej znany brytyjski fizyk Stephen Hawking zasugerował, że czarne dziury po utracie większości cząstek znikają. Te hipotetyczne cząstki nazywane są grawitonami. Nie mają masy, nie mają ładunku elektrycznego ani innego, ale jednocześnie mają energię i dlatego uczestniczą w oddziaływaniu grawitacyjnym.
Kiedy jeden wszechświat umiera i pojawia się nowy, te grawitony, według Penrose'a, stają się częścią nowego wszechświata. Naukowiec i jego koledzy są przekonani, że znaleźli te ocalałe „pozostałości” w mikrofalowym promieniowaniu tła. Wykryte anomalie świetlne nazwali „punktami Stephena Hawkinga”. Jeśli obserwacje naukowców zostaną potwierdzone, czeka nas poważna rewizja teorii Wielkiego Wybuchu.
Nikolay Khizhnyak