Jak duże mogą być czarne dziury? Te najbardziej masywne obserwujemy w centrach dużych galaktyk. Osiągają one masę kilkudziesięciu miliardów mas naszego Słońca. Jednak niedawne badania sugerują, że mogą istnieć znacznie większe czarne dziury.
W nowych badaniach naukowcy z Queen Mary University London chcieli lepiej zrozumieć czarne dziury i nałożyć pewne ograniczenia na to, jak duże mogą być. W publikacji, która ukazała się na łamach pisma „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society”, uczeni zasugerowali nową klasę czarnych dziur - zdumiewająco duże czarne dziury (z j. ang. stupendously large black holes – SLAB).
Naukowcy na wstępie podkreślili, że nie ma dowodów na istnienie czarnych dziur masywniejszych niż te, które obserwujemy w centrach najbardziej masywnych galaktyk. - Wiemy już, że czarne dziury istnieją w szerokim zakresie mas, z supermasywną czarną dziurą o masie czterech milionów mas Słońca znajdującą się w centrum naszej galaktyki - wyjaśnił astronom Bernard Carr z Queen Mary University London. - Chociaż obecnie nie ma dowodów na istnienie SLAB, można sobie wyobrazić, że mogą one istnieć i znajdować się poza galaktykami, w przestrzeni międzygalaktycznej, co ma interesujące konsekwencje obserwacyjne – dodał.
Czarne dziury to masywne obiekty, których przyciąganie grawitacyjne pochłania wszystko, co jest zbyt blisko. Ani materia, ani nawet światło nie może uciec przed intensywnym chwytem grawitacyjnym czarnej dziury. Czarne dziury to nic innego jak zwłoki masywnych gwiazd, które uległy wybuchowej śmierci i ostatecznie zapadły się w sobie. Te gwiezdne eksplozje mogą tworzyć dwa różne rodzaje obiektów. Jeśli oryginalna gwiazda jest wystarczająco masywna, eksplozja spowoduje powstanie czarnej dziury, ale jeśli nie, wybuch utworzy mały, gęsty obiekt znany jako gwiazda neutronowa.
Czarne dziury są dość trudne do zlokalizowania, poza sytuacjami, kiedy pochłaniają materię. Dzieje się tak dlatego, że nie emitują żadnego promieniowania elektromagnetycznego. Obiekty te są niewidoczne dla naszych metod wykrywania dlatego, że promieniowanie elektromagnetyczne nie może uzyskać prędkości ucieczki spoza horyzontu zdarzeń. A jednak jesteśmy w stanie je zlokalizować - na podstawie oddziaływań z otaczającą je materią oraz światłem.
Najmniejsze z czarnych dziur to te o masach gwiazdowych. Ich masa dochodzi do około 100 mas Słońca. Następną kategorią są czarne dziury o masach pośrednich. Ich wielkość jest różnie podawana - niektórzy mówią, że ich masa dochodzi do 1000 mas Słońca, inni, że do 100 tys. Jakby nie liczyć, są to obiekty o masie większej niż czarne dziury o masie gwiazdowej, ale mniejsze od supermasywnych czarnych dziur, które to są najbardziej masywnymi obiektami w kosmosie, na jakie znaleźliśmy dowody. Supermasywne czarne dziury mają masę rzędu milionów, a nawet miliardów mas Słońca.
Supermasywna czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej to Sagittarius A* o masie czterech milionów mas Słońca. Z kolei supermasywna czarna dziura, której zdjęcie obiegło świat w 2019 roku znajduje się w centrum galaktyki M87 i ma masę około 6,5 miliarda mas Słońca.
Największe spośród odkrytych supermasywnych czarnych dziur, nazywane czasem ultramasywnymi, mają masę rzędu kilkudziesięciu miliardów mas Słońca. Największa jak dotąd odkryta czarna dziura leży w centrum galaktyki Holmberg 15A i ma masę około 40 miliardów mas naszej gwiazdy macierzystej.
Rzecz w tym, że naukowcy nie bardzo wiedzą, jak naprawdę powstają supermasywne czarne dziury. Uważa się, że powstają w swojej galaktyce macierzystej w wyniku kolapsu gwiazdy, a następnie rosną pochłaniając wszystko, co znajdzie się w ich zasięgu, osiągając przy tym swoje kolosalne rozmiary. Możliwe są też połączenia dwóch mniejszych czarnych dziur w jedną supermasywną. Ten model ma górną granicę około 50 miliardów mas Słońca - to jest granica, przy której ogromna masa obiektu wymagałaby dysku akrecyjnego tak masywnego, że rozpadłby się pod wpływem własnej grawitacji.
Jednak te wyjaśnienia nie pasują do wszystkich zaobserwowanych czarnych dziur. Supermasywne czarne dziury zostały znalezione we wczesnym Wszechświecie. Ze względu na ich wiek trudno wyjaśnić ich pochodzenie pochłanianiem otaczającej masy, na tak wczesnym etapie istnienia Wszechświata, co jest stosunkowo powolnym procesem. Naukowcy znaleźli setki takich obiektów, które – według nich - uformowały się zaledwie 700 - 800 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Powstały w najwcześniejszych erach Wszechświata i zwyczajnie nie miały czasu, by tak urosnąć. Pytanie, przed którym stoją astrofizycy brzmi: jak te czarne dziury stały się tak duże w tak krótkim czasie?
Z pomocą mogą tutaj przyjść tzw. pierwotne czarne dziury. Koncepcję tę zaproponowano po raz pierwszy w 1966 roku. Te hipotetyczne obiekty miałyby powstać tuż po Wielkim Wybuchu. Zgodnie z koncepcją, różna gęstość wczesnego Wszechświata mogła wytworzyć kieszenie tak gęste, że zapadły się w czarne dziury. Nie podlegałyby one ograniczeniom wielkości czarnych dziur z zapadających się gwiazd i mogłyby być bardzo małe lub, cóż, zdumiewająco duże.
Koncepcja ta zakłada, że pierwotnych czarnych dziur o najmniejszej masie już nie ma. Jednak te o większych masach mogą nadal istnieć. Przez te wszystkie miliardy lat mogły pochłaniać otaczającą materię osiągając naprawdę duże rozmiary. W nowych badaniach uczeni obliczyli, że zdumiewająco duże czarne dziury mogły osiągnąć masę między 100 miliardami a 1 trylionem mas naszego Słońca. To oznacza, że największe ze SLAB byłyby masywniejsze niż Droga Mleczna, która według szacunków ma masę 890 miliardów razy większą niż masa naszego Słońca.
Jednym z celów badań było rozważenie wpływu takich czarnych dziur na przestrzeń wokół nich. Możemy nie być w stanie bezpośrednio zaobserwować SLAB - czarne dziury, które nie akreują materii, są niewidoczne, ponieważ światło nie może uciec od ich grawitacji. Mimo to takie obiekty nadal da się wykrywać na podstawie zachowania przestrzeni wokół nich. Na przykład grawitacja zakrzywia czasoprzestrzeń, co powoduje, że światło podróżujące przez te regiony również podąża po zakrzywionej ścieżce. Nazywa się to soczewkowaniem grawitacyjnym, a efekt można by wykorzystać do wykrywania SLAB w przestrzeni międzygalaktycznej.
- Idea SLAB była w dużej mierze zaniedbywana do tej pory. Zaproponowaliśmy opcje, w jaki sposób SLAB mogły powstać i mamy nadzieję, że nasza praca wywoła dyskusję w środowisku naukowym – zaznaczył Carr.
SLAB miałyby też wpływ na nasze zrozumienie ciemnej materii. Uważa się, że ciemna materia stanowi około 80 procent zwykłej masy Wszechświata. Chociaż nie możemy jej zobaczyć, naukowcy uważają, że ciemna materia istnieje z powodu jej grawitacyjnego wpływu na widzialną materię, taką jak gwiazdy i galaktyki. Jednak nadal nie wiemy, czym jest ciemna materia. Pierwotne czarne dziury są jednym z potencjalnych kandydatów do wyjaśnienia zagadki.
Źródło: Queen Mary University of London, fot. NASA, ESA, and D. Coe, J. Anderson, and R. van der Marel (STScI)
