Jak bije serce czarnej dziury? Licząca dekady kosmiczna zagadka została rozwiązana

W tym artykule:

1. Jak czarna dziura pochłania materię?
2. Czym jest korona czarnej dziury?
3. Jak bije serce czarnej dziury?
4. Tajemnice czarnej dziury

Czarne dziury to chyba najbardziej fascynujące obiekty, jakie istnieją we Wszechświecie. Powstają, gdy gwiazda wypala się i zapada pod ciężarem siły własnej grawitacji. W rezultacie rodzi się czarna dziura. To obiekt o tak wielkiej sile ciążenia, że nie mogą się z niego wydostać ani materia, ani światło.

Ta druga cecha czarnych dziur sprawia, że ich obserwacje są znacząco utrudnione. Naukowcom w badaniu czarnych dziur pomagają detektory fal grawitacyjnych, takie jak LIGO czy VIRGO. A także obserwacje pośrednie – promieniowania w różnych zakresach widma, którego emisja związana jest ze zjawiskami zachodzącymi wokół czarnych dziur.

Jak czarna dziura pochłania materię?

Modele teoretyczne próbują jak najdokładniej opisać, co dzieje się zwłaszcza w okolicy tzw. horyzontu zdarzeń. To granica czarnej dziury, spoza której nic już nie może się wydostać.

Słynna teoria Hawkinga o czarnych dziurach potwierdzona

Jedno z najsłynniejszych twierdzeń Stephena Hawkinga zostało właśnie udowodnione na podstawie falowania czasoprzestrzeni spowodowanego połączeniem się dwóch odległych czarnych dziur.

Wiadomo, że jeśli w pobliżu czarnej dziury znajduje się gwiazda, ta pierwsza pochłania jej materię, która opada na czarną dziurę, tworząc tzw. dysk akrecyjny. Między wewnętrzną częścią dysku akrecyjnego a horyzontem zdarzeń znajduje się korona czarnej dziury. To obłoki rozgrzanej plazmy podobne do tych, które widzimy wokół Słońca. Czarne dziury od czasu do czasu emitują też tzw. dżety – dwa strumienie rozgrzanej materii, wyrzucane przez grawitację w przeciwnych kierunkach.

Czy korona ma jakiś związek z dżetami? A może są tym samym? Odpowiedzi na to pytanie udzielił właśnie zespół astronomów w artykule opublikowanym w czasopiśmie naukowym „Nature Astronomy”. Rozwiązanie zagadki wymagało prowadzenia obserwacji trwających szesnaście lat.

Czym jest korona czarnej dziury?

– Od dwudziestu lat w nauce trwa debata, czy korona czarnych dziur i wyrzucane przez nie dżety to to samo – opowiada astrofizyk Mariano Méndez z holenderskiego Uniwersytetu w Groningen. – Teraz wiemy, że powstają one sekwencyjnie, jedne po drugich.

Do takich wniosków doprowadziły obserwacje, które rozpoczęto w 1996 r., a zakończono w 2012 r. Naukowcy przyglądali się układowi podwójnemu GRS 1915+105, odległemu o 36 tys. lat świetlnych od Słońca. Składa się on z czarnej dziury oraz z gwiazdy.

Nowa czarna dziura zaobserwowana poza Drogą Mleczną

Astronomowie odkryli niewielką czarną dziurę poza naszą galaktyką. Udało się to dzięki nowatorskiej metodzie, polegającej na zbadaniu ruchów obserwowanych gwiazd.

Ponieważ oba te obiekty znajdują się blisko siebie, czarna dziura pochłania materię opadającą na nią z gwiazdy. W tym procesie powstaje wirujący dysk akrecyjny. Skomplikowane otoczenie czarnej dziury emituje przy tym ogromne ilości promieniowania. I to właśnie ono stanowiło przesłankę pozwalającą wywnioskować, co dokładnie dzieje się w układzie podwójnym GRS 1915+105.

Jak bije serce czarnej dziury?

Zespół Méndeza zbierał dane dotyczące dwóch rodzajów promieniowania: promieniowania rentgenowskiego i radiowego. Źródłem pierwszego jest korona, drugie zaś pochodzi z emitowanych przez czarne dziury dżetów.

Czarna dziura i co dalej? Obserwacje naukowców rozwiewają wszelkie wątpliwości

Zastanawialiście się kiedyś, jak to możliwe, że jesteśmy w stanie zobaczyć przód tego, co jest od nas odwrócone? Tak właśnie działa czarna dziura.

Po zebraniu danych naukowcy opracowali 410 symulacji łączących dane o emitowanym przez układ GRS 1915+105 promieniowaniu rentgenowskim i radiowym. Odkryli, że kiedy pierwsze się wzmacnia, drugie słabnie – i na odwrót. To wskazuje, że kiedy dżety są najsłabsze, korona jest największa. Oraz że cały proces zachodzi cyklicznie.

Dokładnie przedstawia to poniższa animacja. Widać na niej sekwencyjny proces, który przypomina bicie serca. Korona powiększa się aż do momentu, gdy czarna dziura wyrzuca dżety. Wtedy maleje, a gdy proces emisji dżetów kończy się, znów zaczyna rosnąć.

Tajemnice czarnej dziury

– Pokazanie tej sekwencji było wyzwaniem – opowiada Méndez. – Musieliśmy porównywać dane opisujące procesy zachodzące w skali lat z tymi trwającymi zaledwie sekundy. To samo dotyczyło bardzo dużych i bardzo małych energii – dodaje.

Opisane badania to nie koniec. Zebrane dane – jak to często bywa w nauce – wyjaśniły jedną zagadkę, ale przyniosły następne. Okazało się na przykład, że zarejestrowane promieniowanie rentgenowskie było silniejsze, niż dałoby się wytłumaczyć samym wzrostem temperatury w koronie czarnej dziury. Co oznacza, że te obiekty ciągle kryją mnóstwo czekających na rozwiązanie tajemnic.

Źródło: Nature Astronomy