POŻERACZE GWIAZDAmerykańscy uczeni donieśli o wykryciu dziwnego obiektu – gwiazdy i czarnej dziury, której masa jest 24-33 razy większa od Słońca. To absolutny rekord – na takie dziury jeszcze w kosmosie nie natrafiono.
Gdyby jakimś sposobem ścisnąć Ziemię do kulki o promieniu około 9 mm, stałaby się czarną dziurą. Podobny los spotkałby Słońce, gdyby jego promień skurczył się do 3 km. Teoretycznie każde ciało niebieskie może zamienić się w czarną dziurę, która tak silnie zakrzywia czasoprzestrzeń, że nie może się z niej wyrwać żaden sygnał, nawet światło. Dlatego czarna dziura rzeczywiście jest całkowicie czarna.
Na szczęście takimi dziurami stają się tylko gwiazdy co najmniej około 40 razy większe od Słońca. Mniejsze, po wybuchu tzw. supernowej, zmieniają się też w niezwykłe, ale jednak możliwe do badania byty, jakimi są gwiazdy neutronowe (pulsary). Jeszcze mniejsze, takie jak nasze Słońce, przeżywają łagodną starość bez wybuchów – ewoluują, by zmienić się w końcu w długowieczne białe karły.
Czarne dziury są ciekawe, a nawet pociągające z tego powodu, że w ich wnętrzach kryją się osobliwości, czyli warunki, których współczesna fizyka nie jest w stanie wytworzyć ani badać. Grawitacja ukazuje w tych obiektach ogromną, nieporównywalną z niczym siłę i zamienia gwiazdę wielekroć większą od Słońca w punkt matematyczny. W punkcie osobliwym gęstość jest nieskończona i krzywizna przestrzeni jest nieskończona.
Generalnie czarne dziury można podzielić na dwa typy. Pierwsze to tzw. dziury gwiazdowe – obiekty stosunkowo niewielkie, których jest w kosmosie bez liku, powstające właśnie po wybuchu i kolapsie (gwałtownym zapadnięciu się) masywnej gwiazdy supernowej. Istnieją też czarne dziury supermasywne, które leżą w centrach wszystkich galaktyk. Mają one często masy równe milionom, a nawet miliardom Słońc. Powstają przez ciągłe „połykanie” gwiazd i innych czarnych dziur, których w centralnych obszarach galaktyk jest bardzo dużo i czasami tworzą galaktyki aktywne – kwazary lub galaktyki Seiferta – a więc takie, które emitują więcej energii, niż to wynika z ich obliczonej masy. Ostatnio dokonano kilku odkryć, które dotyczą zarówno czarnych dziur gwiazdowych jak i supermasywnych.
Dziury typu gwiazdowego nie mogą być zbyt duże. Do niedawna badacze nieba sądzili, że raczej nie przekraczają około dziesięciu, góra kilkunastu mas Słońca. Jednak w połowie października 2007 r., dzięki obserwacjom dokonanym przez kosmiczny teleskop rentgenowski Chandra i teleskop Gemini w Mauma Kea na Hawajach, astronomowie odkryli w galaktyce M33 (Messier), sąsiadującej z naszą, układ podwójny złożony z ogromnej gwiazdy i czarnej dziury, której masa sięga 15,7 mas Słońca.
Przy okazji okazało się, że ta czarna dziura, oznaczona symbolem M33 X-7, powstała w dość dziwny sposób. Jej towarzysz to gwiazda wielkości 70 Słońc. Uczeni sądzą, że masa gwiazdy, z której czarna dziura się narodziła, była jeszcze większa. Problem polega jednak na tym, że czarna dziura obiega swoją gwiazdową towarzyszkę po ciasnej orbicie (na pełen obieg potrzebuje niecałych czterech dni) o promieniu mniejszym aniżeli prawdopodobny promień gwiazdy macierzystej, z której powstała. Ale M33 X-7 krótko dzierżyła palmę pierwszeństwa jako najbardziej masywna gwiazdowa czarna dziura w kosmosie.
Niedawno zespół astronomów z Harvard Smithsonian Center for Astrophysics w Cambridge w USA doniósł o wykryciu w nieregularnej galaktyce IC 10, leżącej 1,8 mln lat świetlnych od nas, podwójnego układu – gwiazdy i czarnej dziury, której masa mieści się w granicach 24-33 Słońc. Jest to absolutny rekord. Do tej pory sądzono, że nawet jeśli masa gwiazdy jest równoważna stu Słońcom, to po jej wybuchu i kolapsie czarna dziura nie może być większa niż kilkanaście mas Słońca, ponieważ tak wielka gwiazda jest niestabilna i traci wiele materii za życia – na skutek wiatru gwiazdowego, a potem podczas wybuchu. Większość jej materii rozpływa się w przestrzeni kosmicznej, a zapada się tylko jądro gwiazdy.
Tak się dzieje w naszej Galaktyce, czyli Drodze Mlecznej. Ale być może czarna dziura w IC 10 zrodziła się z gwiazdy nieco innego typu aniżeli te, z którymi głównie mamy do czynienia w Drodze Mlecznej. Mogła to być gwiazda o innym składzie chemicznym, zawierająca niemal wyłącznie wodór i hel, za to prawie nie było w niej innych, cięższych pierwiastków. Taka gwiazda mogła do końca życia zachować niemal całą swoją masę, w związku z tym powstała z niej czarna dziura mogła też osiągnąć tak wielką masę.
Graficzna wizja podwójnego układu w galaktyce IC 10: gwiazda Wolfa-Rayeta (w niebieskim obłoku po prawej) i jej towarzyszka czarna dziura (w górnym rogu po lewej). Fot. NASA.
– Pierwsze doniesienie jest dość ciekawe – mówi prof. Andrzej Zdziarski z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN w Warszawie – ponieważ rzeczywiście udało się po raz pierwszy tak dokładnie ustalić masę czarnej dziury. Doniesienie drugie nie jest jeszcze potwierdzone. Poza tym nie jest wcale tak, że granice gwiazdowych dziur ustalono raz na zawsze. Istnieją przecież niezwykle tajemnicze obiekty o nazwie ultraluminous X-ray sources (ULX) – są to czarne dziury będące bardzo jasnymi źródłami promieniowania rentgenowskiego, leżące poza centrami galaktyk, które mogą mieć sto mas Słońca lub więcej. Bardzo trudno wyjaśnić ich pochodzenie i znaleźć ewolucyjną drogę powstania takich obiektów.
Trudno bowiem wyobrazić sobie gwiazdę o tak wielkiej masie, by dała w rezultacie taką czarną dziurę. Musiałaby ona mieć masę rzędu kilkuset mas Słońca. Z kolei tak duża gwiazda, ze względu na swoją niestabilność, straciłaby większość swojej materii przed dojściem do etapu supernowej. To wielka zagadka. Spekuluje się, że ciągle odkrywane obiekty ULX o ogromnej jasności należą może do trzeciej, pośredniej kategorii czarnych dziur, a więc są czymś pomiędzy dziurami gwiazdowymi a supermasywnymi.
Jednak wciąż nie wiadomo, jak one powstają. Masę obiektów ULX wyznacza się tylko na podstawie analizy promieniowania. Masę M33 X-7 wyznaczono dynamicznie, czyli oceniając jej oddziaływanie na gwiazdę towarzyszącą, a więc znacznie dokładniej.
– Odkrycie tych względnie masywnych czarnych dziur – kontynuuje prof. Zdziarski – stwarza poważne problemy dla naszego zrozumienia ewolucji masywnych gwiazd. Na razie nie wiemy, jak te odkryte obiekty mogły powstać. Wymaga to od naukowców znalezienia odpowiednich scenariuszy ewolucyjnych. Być może przy okazji wyjaśni się problem bardzo dużych mas czarnych dziur w tajemniczych obiektach typu ULX.
Ostatnio dokonano też ciekawego odkrycia dotyczącego supermasywnych czarnych dziur. Sięga ono daleko w przestrzeń i czas Wszechświata – do okresu, gdy miał on 2,5-4,5 mld lat. Odległe czarne dziury, masywne i leżące w centrach galaktyk z tego czasu, to często kwazary, odkryte w latach 60. ubiegłego wieku. Bardzo małe, niby gwiazdowe źródła energii, kwazary, emitują jej nieraz tyle, co cała galaktyka. Przypuszcza się, że za tę emisję odpowiedzialna jest akrecja, czyli opadanie materii na wielki dysk krążący wokół supermasywnej czarnej dziury i do niej samej.
Uczeni prześledzili niedawno za pomocą teleskopów Spitzer i Chandra około tysiąca galaktyk ze wspomnianego okresu, silnie promieniujących w podczerwieni. Okazuje się, że w ponad 200 w ich centrach są kwazary. To bardzo dużo. Znawcy sądzą, że większość, jeśli nie wszystkie masywne galaktyki leżące daleko od nas i formujące się dawno temu, mogą mieć w centrach aktywne czarne dziury. Powstawały one równolegle z formacjami gwiazd i niejako hamowały rozwój galaktyk, pożerając coraz więcej gwiazd w swoim otoczeniu.
– Do tej pory – twierdzi Mark Dickinson z Narodowego Obserwatorium Astronomicznego w Arizonie – widzieliśmy zaledwie wierzchołek góry lodowej. Teraz zobaczyliśmy ją całą. Odkrycie to dowodzi również, że kolizje między galaktykami nie muszą odgrywać – jak się dzisiaj jeszcze sądzi – tak dużej roli w ich ewolucji. Wcześniej przyjmowano, że to właśnie kolizje uaktywniają kwazary – teraz wiemy, że istnieją w galaktykach, które nigdy nie zderzały się ze sobą.
– Od dawna wiadomo – tłumaczy prof. Andrzej Zdziarski – że czarne dziury istnieją w jądrach właściwie wszystkich galaktyk. Nie słyszałem nigdy o odkryciu galaktyki, która na pewno nie miałaby centralnej czarnej dziury. Nasza też ma taką. Odkrycie, o którym mowa, nie dotyczy więc tak naprawdę czarnych dziur, a jedynie galaktyk aktywnych, w których centrach znajdują się aktywne czarne dziury, dające niezwykle silne promieniowanie. Sugeruje się także, że w ten sposób znaleziono wcześniej brakującą populację kwazarów.
Wszechświat jest wypełniony tłem promieniowania w różnych zakresach widmowych, w szczególności rentgenowskim. Od lat badano pochodzenie tego promieniowania tła. Większość naukowców skłania się do tezy, że jest ono efektem emisji dużej ilości aktywnych galaktyk. Ale zliczenie aktywnych jąder galaktyk nie dawało liczby wystarczającej, by uzasadnić wielkość wynikającą z pomiarów tego tła. Odkrycie, dokonane dzięki satelicie Spitzer, rozwiązuje ten problem – znaleziono brakującą populację aktywnych jąder galaktyk. Pochodzi ona, w przybliżeniu, z okresu, kiedy Wszechświat był trzykrotnie mniejszy niż obecnie.
Przemysław Berg
Tekst opublikowany w tygodniku „Polityka” (3/2008).
CZYTAJ TAKŻE:
W kosmos po kasę – Wygląda jak trochę większa kostka Rubika, ma skomplikowaną aparaturę badawczą i przeprowadzi doświadczenia na orbicie okołoziemskiej. To polski satelita PW-Sat. Czy otworzy nam drogę do podboju kosmosu?
Kosmiczne być albo nie być – Sputnik ma 50 lat. Dziś nad naszymi głowami lata ponad 800 satelitów.
Kosmos kupię-sprzedam – Trzydzieści lat temu świętokrzyscy chłopi opowiadali, że Rosjanie stawiają w Dolinie Witkowskiej wyrzutnie rakietowe. Na sesjach rady gminy w Bodzentynie Wiesław Dzierżak, wtedy inżynier, dziś dyrektor, tłumaczył, żeby się nie obawiać, że to tylko satelitarna łączność ze światem.
Co dał światu lot Gagarina? – 12 kwietnia 1961 r. przyniósł jedno z najważniejszych wydarzeń XX w.: tego dnia pierwszy człowiek poleciał w kosmos
