Amerykańscy i australijscy astrofizycy odkryli kandydata na czarne dziury o średniej masie. Otrzymali tę nazwę, ponieważ są cięższe niż zwykłe - to znaczy te powstałe w wyniku grawitacyjnego zapadania się gwiazd - obiektów, ale lżejszych niż supermasywne czarne dziury, zwykle zlokalizowane w aktywnych jądrach dużych galaktyk. Pochodzenie niezwykłych obiektów jest nadal niejasne. „Lenta.ru” opowiada o czarnych dziurach o masach pośrednich i odkryciu naukowców.
Większość znanych naukowcom czarnych dziur - to znaczy obiektów, których żadna materia nie może opuścić (ignorując efekty kwantowe) - to czarne dziury o masach gwiazdowych lub supermasywne czarne dziury. Pochodzenie tych obiektów grawitacyjnych jest z grubsza jasne dla astronomów. Pierwsza, jak sama nazwa wskazuje, reprezentuje ostatni etap ewolucji ciężkich luminarzy, kiedy reakcje termojądrowe ustają w ich głębi. Są tak ciężkie, że nie zmieniają się w białe karły ani gwiazdy neutronowe.
Małe gwiazdy, takie jak Słońce, zamieniają się w białe karły. Ich siła kompresji grawitacyjnej jest równoważona przez odpychanie elektromagnetyczne plazmy elektronowo-jądrowej. W cięższych gwiazdach grawitację ogranicza ciśnienie materii jądrowej, co prowadzi do powstania gwiazd neutronowych. Rdzeń takich obiektów tworzy ciecz neutronowa, która jest pokryta cienką warstwą plazmy elektronów i ciężkich jąder. Wreszcie najcięższe luminarze zamieniają się w czarne dziury, co doskonale opisuje ogólna teoria względności i fizyka statystyczna.
Gromada kulista 47 Tukan
Zdjęcie: NASA / ESA / Hubble Heritage
Wartość graniczną masy białego karła, która uniemożliwia jego przekształcenie się w gwiazdę neutronową, oszacował w 1932 roku indyjski astrofizyk Subramanian Chandrasekhar. Ten parametr jest obliczany na podstawie stanu równowagi zdegenerowanego gazu elektronowego i sił grawitacyjnych. Obecną wartość granicy Chandrasekhara szacuje się na około 1,4 masy Słońca. Górna granica masy gwiazdy neutronowej, przy której nie zamienia się ona w czarną dziurę, nazywana jest granicą Oppenheimera-Wołkowa. Wyznacza się go na podstawie stanu równowagi ciśnienia zdegenerowanego gazu neutronowego i sił grawitacji. W 1939 roku naukowcy otrzymali jego wartość na 0,7 masy Słońca; współczesne szacunki wahają się od 1,5 do 3,0.
Najbardziej masywne gwiazdy są 200-300 razy cięższe od Słońca. Z reguły masa czarnej dziury pochodzącej od gwiazdy nie przekracza tego rzędu wielkości. Na drugim końcu skali znajdują się supermasywne czarne dziury - są setki tysięcy, a nawet dziesiątki miliardów razy cięższe od Słońca. Zwykle takie potwory znajdują się w aktywnych centrach dużych galaktyk i mają na nie decydujący wpływ. Pomimo faktu, że pochodzenie supermasywnych czarnych dziur również budzi wiele pytań, do tej pory odkryto wystarczająco dużo takich obiektów (ściślej - kandydatów na nie), aby nie wątpić w ich istnienie.
Film promocyjny:
Na przykład w centrum Drogi Mlecznej, w odległości 7,86 kiloparseków od Ziemi, znajduje się najcięższy obiekt w Galaktyce - supermasywna czarna dziura Sagittarius A *, która jest ponad cztery miliony razy cięższa od Słońca. W pobliskim dużym układzie gwiazd, Mgławica Andromeda, jest jeszcze cięższym obiektem: supermasywną czarną dziurą, która jest prawdopodobnie 140 milionów razy cięższa od Słońca. Astronomowie szacują, że za około cztery miliardy lat supermasywna czarna dziura z Mgławicy Andromedy połknie jedną z Drogi Mlecznej.
Czarna dziura o średniej masie (wyobrażona przez artystę)
Zdjęcie: CfA / M. Weiss
Mechanizm ten wskazuje na najbardziej prawdopodobny sposób formowania się gigantycznych czarnych dziur - po prostu absorbują całą otaczającą je materię. Pozostaje jednak pytanie: czy w naturze istnieją czarne dziury o masach pośrednich - między gwiazdami a superciężkimi? Potwierdzają to obserwacje z ostatnich lat, w tym opublikowane w ostatnim numerze czasopisma Nature. W publikacji autorzy poinformowali o odkryciu prawdopodobnego kandydata na czarne dziury o średniej masie w centrum gromady kulistej 47 Tukan (NGC 104). Szacunki wskazują, że jest ono około 2,2 tysiąca razy cięższe od Słońca.
Gromada 47 Tukan znajduje się 13 tysięcy lat świetlnych od Ziemi w konstelacji Tukana. Ten zestaw luminarzy związanych grawitacyjnie wyróżnia się wielkim wiekiem (12 miliardów lat) i niezwykle wysoką jasnością wśród takich obiektów (ustępując jedynie omegi Centauri). NGC 104 zawiera tysiące gwiazd, zamkniętych w warunkowej kuli o średnicy 120 lat świetlnych (o trzy rzędy wielkości mniejszej niż średnica dysku Drogi Mlecznej). Również w 47 Tukanach znajduje się około dwudziestu pulsarów - stały się one głównym przedmiotem badań naukowców.
Poprzednie poszukiwania czarnej dziury w centrum NGC 104 zakończyły się niepowodzeniem. Obiekty takie ujawniają się w sposób pośredni, poprzez charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie emanujące z otaczającego je dysku akrecyjnego, utworzonego przez podgrzany gaz. Tymczasem środek NGC 104 prawie nie zawiera gazu. Z drugiej strony czarną dziurę można wykryć po jej wpływie na gwiazdy obracające się w jej pobliżu - coś takiego można zbadać w Sagittarius A *. Jednak nawet tutaj naukowcy stanęli przed problemem - w środku NGC 104 znajduje się zbyt wiele gwiazd, aby móc zrozumieć ich indywidualne ruchy.
Teleskop radiowy Parks
Zdjęcie: David McClenaghan / CSIRO
Naukowcy próbowali obejść obie trudności, nie rezygnując jednocześnie ze zwykłych metod wykrywania czarnych dziur. Najpierw astronomowie przeanalizowali dynamikę gwiazd całej gromady kulistej jako całości, a nie tylko gwiazd znajdujących się blisko jej centrum. W tym celu autorzy wzięli dane dotyczące dynamiki luminarzy 47 Toucan, zebrane podczas obserwacji przez obserwatorium radiowe Australian Parkes. Uzyskane informacje naukowcy wykorzystali do modelowania komputerowego w ramach problemu grawitacyjnego ciał N. Okazało się, że w centrum NGC 104 znajduje się coś, co przypomina charakterystykę czarnej dziury o średniej masie. Jednak to nie wystarczyło.
Naukowcy postanowili przetestować swoje odkrycia na pulsarach - zwartych pozostałościach martwych gwiazd, których sygnały radiowe astronomowie nauczyli się dość dobrze śledzić. Jeśli NGC 104 zawiera czarną dziurę o średniej masie, pulsary nie mogą znajdować się zbyt blisko centrum 47 Tukanów - i odwrotnie. Zgodnie z oczekiwaniami autorów, pierwszy scenariusz został potwierdzony: lokalizacja pulsarów w NGC 104 dobrze koreluje z faktem, że w centrum gromady znajduje się czarna dziura o średniej masie.
Autorzy uważają, że tego rodzaju obiekty grawitacyjne mogą znajdować się w centrach innych gromad kulistych - prawdopodobnie tam, gdzie już się znajdują lub nie są jeszcze poszukiwane. Będzie to wymagało starannego rozważenia każdej z tych grup. Jaką rolę odgrywają czarne dziury o masach pośrednich i jak powstały? Nie wiadomo jeszcze na pewno. Pomimo wielu opcji ich dalszej ewolucji, współautor badania Bulent Kiziltan uważa, że „mogą to być oryginalne nasiona, z których wyrosły potwory, które dziś widzimy w centrach galaktyk”.
Yuri Sukhov