W centrum naszej galaktyki nie znajduje się tylko jedna czarna dziura. Zespół astrofizyków z Columbia University znalazł dziesiątki mniejszych czarnych dziur skupionych wokół znajdującej się w centrum Drogi Mlecznej supermasywnej czarnej dziury – Sagittarius A*. Wyniki badań sugerują, że może być ich tam znacznie więcej, nawet do 20 tysięcy.
Przez ponad dwie dekady badacze bezskutecznie poszukiwali dowodów potwierdzających teorię, że tysiące mniejszych czarnych dziur otaczają supermasywne czarne dziury w centrum dużych galaktyk. Koncepcja ta mówi, że w pobliżu supermasywnej czarnej dziury w centrach galaktyk powinien nastąpić miejscowy wzrost liczby czarnych dziur o masie gwiazdowej.
– W całej galaktyce szerokiej na 100 tysięcy lat świetlnych istnieje niewiele znanych nam czarnych dziur. Powinno być od 10 do 20 tysięcy takich obiektów w regionie o szerokości zaledwie sześciu lat świetlnych. Jednak nikt nie był w stanie ich znaleźć – powiedział astrofizyk z Columbia University Chuck Hailey, główny autor badań, które ukazały się w najnowszym wydaniu „Nature”.
Hailey dodał, że przeprowadzono wiele bezowocnych poszukiwań czarnych dziur wokół najbliższej Ziemi supermasywnej czarnej dziury Sagittarius A* (Sgr A*) znajdującej się w centrum Drogi Mlecznej.
– Wszystko, czego chcesz się dowiedzieć na temat sposobu, w jaki supermasywne czarne dziury wchodzą w interakcję z małymi czarnymi dziurami, możesz dowiedzieć się studiując ten rozkład. Droga Mleczna jest naprawdę jedyną galaktyką, w której możemy badać, w jaki sposób supermasywne czarne dziury wchodzą w interakcję z małymi, bo najzwyczajniej w świecie nie możemy zobaczyć ich interakcji w innych galaktykach. W pewnym sensie jest to jedyne laboratorium, w którym możemy zbadać to zjawisko – przyznał Hailey.
Aby znaleźć czarne dziury, zespół badaczy musiał myśleć nieszablonowo. Czarne dziury są trudne do zlokalizowania, ponieważ same nie wydzielają żadnego promieniowania – w rzeczywistości pochłaniają wszelkie wykrywalne promieniowanie, choć teoretycznie emitują promieniowanie Hawkinga, ale nie jesteśmy w stanie tego wykryć. Ale to nie znaczy, że nie można ich znaleźć na inny sposób.
Kiedy czarna dziura „budzi się” i konsumuje materię, tworzy to wykrywalne promieniowanie rentgenowskie. Najbardziej aktywne czarne dziury to te w połączeniu z gwiazdą w systemie podwójnym. Pochłaniają one materię z gwiazdy, co czasami daje jasne błyski promieniowania X. To tzw. rentgenowskie układy podwójne. Zazwyczaj jeden z członków takiej pary to czarna dziura lub gwiazda neutronowa.
Poprzednie poszukiwania czarnych dziur w centrum naszej galaktyki skupiły się na tych błyskach promieniowania rentgenowskiego. Ale metoda ta ma pewien mankament. – To oczywisty sposób na szukanie czarnych dziur, ale centrum galaktyczne jest tak daleko od Ziemi, że te wybuchy są widoczne raz na 100 do 1000 lat – wyjaśnił Hailey.
Zamiast czekać na kolejny błysk zespół zastosował inne podejście. Przeszukując dane zgromadzone przez obserwatorium rentgenowskie Chandra w ciągu ostatnich 12 lat, badacze poszukiwali słabszej, ale stabilniejszej sygnatury promieni X wytwarzanych przez rentgenowskie układy podwójne. Gdy w takim układzie w parze znajduje się gwiazda neutronowa, często obserwowany jest nagły wzrost, a następnie spadek emisji promieniowania. Występuje to znacznie częściej niż błyski emitowane przez układy rentgenowskie z czarną dziurą.
– Gdyby układy rentgenowski z czarnymi dziurami rutynowo emitowały silne błyski, tak jak układy z gwiazdami neutronowymi, byłoby łatwo je zlokalizować, ale tak nie jest, więc musieliśmy wymyślić inny sposób ich wyszukiwania. Kiedy czarne dziury łączą się z gwiazdą o niskiej masie, „małżeństwo” to emituje rozbłyski promieniowania rentgenowskiego, które są słabsze, ale spójne i wykrywalne. Gdybyśmy znaleźli czarne dziury połączone z gwiazdami o niskiej masie i wiedzielibyśmy, jaka frakcja czarnych dziur łączy się z takimi gwiazdami, moglibyśmy wywnioskować populację odizolowanych czarnych dziur – zaznaczył Hailey.
W danych z obserwatorium Chandra badacze znaleźli 12 sygnatur pasujących do rentgenowskich układów podwójnych w parze z czarnymi dziurami o małej masie. Wszystkie w odległości trzech lat świetlnych od Sgr A*. Następnie przeanalizowali właściwości i rozmieszczenie przestrzenne tych zdarzeń. W końcu doszli do wniosku, że w pobliżu centrum Drogi Mlecznej musi znajdować się od 300 do 500 układów podwójnych czarnych dziur o niskiej masie i około 10 000 samotnych czarnych dziur.
Sgr A* otoczona jest aureolą gazu i pyłu, co stanowi doskonałe środowisko do narodzin masywnych gwiazd. Odkrycia astronomów potwierdzają tezę, że wokół Sgr A* narodziło się wiele masywnych gwiazd, które żyły, umierały i zapadały się w czarne dziury. Popiera również tezę, że mniejsze czarne dziury o masie gwiezdnej przemieściły się w kierunku centrum galaktycznego z innych części galaktyki.
– Nasze odkrycie może znacznie przyspieszyć badania fal grawitacyjnych, ponieważ znajomość liczby czarnych dziur w centrum typowej galaktyki może pomóc w lepszym przewidywaniu, ile zdarzeń grawitacyjnych może być z nimi związanych – ocenił Hailey.
Źródło: Columbia University, Science, fot. Columbia University
