Zderzenie zderzeń
Drugiego września br. dwa renomowane czasopisma – „Physical Review” oraz „Astrophysical Journal Letters” – doniosły o niezwykłym odkryciu. Otóż 21 maja 2019 r. obserwatoria LIGO i Virgo wykryły bardzo krótką obecność zaburzającej czas i przestrzeń fali grawitacyjnej, która powstała w wyniku kolizji i złączenia się dwóch czarnych dziur w odległej galaktyce (po raz pierwszy fala grawitacyjna została namierzona 5 lat temu przez LIGO, za co jego budowniczym przyznano Nagrodę Nobla). Połączenie to nastąpiło 7 mld lat temu, a więc w czasie, gdy wszechświat był o połowę młodszy niż dzisiaj. To najdalsze ze stwierdzonych źródło fali grawitacyjnej. Sygnał nadejścia fali, który oznaczono symbolem GW 190521, trwał zaledwie jedną dziesiątą sekundy, ale był też najsilniejszy z do tej pory wykrytych, a udało się takich sygnałów, pochodzących właśnie z kolizji czarnych dziur lub gwiazd neutronowych, namierzyć już kilkadziesiąt.
Co ciekawe, w kolizji brały udział dwie potężne czarne dziury – jedna o masie 66, a druga 85 mas Słońca. To też rekord, ponieważ w dotychczasowych detekcjach grawitacyjnych, w których źródłem powstania fali były zderzenia czarnych dziur, prowadzące do zlania się w jeden twór, czarne dziury były znacznie mniej masywne. I ostatnia niespodzianka: wynikiem kolizji tak olbrzymich obiektów jest czarna dziura o masie 142 mas Słońca. Wcześniej aż tak masywnych czarnych dziur (oczywiście poza centralnymi w galaktykach) w kosmosie nie wykrywano. To przełom. Zderzenie spowodowało powstanie fali grawitacyjnej, której energia była równa masie 9 Słońc. Po 7 mld lat fala ta właśnie dotarła do nas i została wykryta. No i mamy teraz kilka poważnych problemów do rozwiązania. Oto one.
Zagadka genezy dziur
W kosmosie istnieją dwa potwierdzone obserwacyjnie typy czarnych dziur – gwiazdowe i supermasywne. Gwiazdowe powstają z wybuchających gwiazd supernowych. Jeśli gwiazda ma masę powyżej 8 Słońc i ustają w niej reakcje jądrowe, zwykle przechodzi fazę gwałtownej zapaści materii, co po odbiciu od jądra wywołuje falę uderzeniową rozsadzającą cały obiekt – następuje wówczas właśnie wybuch supernowej. Jeśli masa gwiazdy przewyższa masę 20 Słońc, w trakcie wybuchu doznaje ona kolapsu grawitacyjnego, czyli całkowitego zapadnięcia się, i powstaje czarna dziura (w przypadku wybuchów gwiazd mniej masywnych powstaje gwiazda neutronowa). Gwiazdowe czarne dziury to obiekty o masach od kilku do kilkudziesięciu mas Słońca. Ich istnienie przewidział już w 1755 r. Immanuel Kant, a nieco później także francuski astronom Pierre Simon de Laplace. W dużej liczbie zaczęto je odkrywać 40 lat temu. W kosmosie występuje ich wiele, także w Drodze Mlecznej, chociaż nie da się ich zobaczyć. To obiekty punktowe. Widoczny może być tylko dysk otaczającej czarną dziurę materii. Szczególnie gdy materia ta do dziury wpływa – wówczas niezwykle się rozgrzewa i emituje silne promieniowanie, głównie rentgenowskie.
O wiele większe obiekty tego typu, leżące w centrach niemal wszystkich galaktyk, nazywa się supermasywnymi czarnymi dziurami, ponieważ ich masy wynoszą od kilkuset tysięcy do kilkunastu miliardów naszych Słońc. Są wśród nich bardzo aktywne – emitujące dawki promieniowania porównywalne z aktywnością całej galaktyki – a otaczające je dyski materii mogą mieć rozmiary Układu Słonecznego lub być jeszcze większe. Są obserwowane w okresach swojej największej aktywności, a więc gdy pochłaniają z otaczających je dysków najwięcej materii. Inne supermasywne czarne dziury – jak ta w centrum naszej galaktyki – źródło Sagittarius A* – są mniejsze (nasza ma masę ok. 4 mln Słońc). Dlatego ich aktywność jest słabsza. Do dzisiaj pozostaje zagadką, jak powstają supermasywne czarne dziury. Czy tworzą się w trakcie narodzin całej galaktyki, w procesie zapaści protogalaktycznego obłoku materii, czy już po fakcie, w efekcie łączenia się mniejszych, ale potężnych (większych od tych typowych gwiazdowych) czarnych dziur? Lub jeszcze inaczej. Wiadomo tylko, że centralne czarne dziury mają znaczący wpływ na ewolucję galaktyk, na ich wielkość, procesy narodzin gwiazd, aktywność itd.
Odnalezione brakujące ogniwo
W latach 80. XX w. odkryto jednak coś jeszcze, co być może dopełnia ten obraz – to tzw. ultraintensywne źródła rentgenowskie (ULX – ultraluminous X-ray source). Obiekty te emitują gigantyczne dawki promieniowania rentgenowskiego – wprawdzie mniejsze niż supermasywne czarne dziury, ale większe niż jakiekolwiek inne obiekty kosmiczne. Na pewno nie są centralnymi obiektami galaktycznymi, ponieważ odnajduje się je zwykle w ramionach galaktyk, a czasem wręcz na ich obrzeżach. Dość szybko badacze nieba powzięli podejrzenie, że mogą one reprezentować trzecią, „brakującą” grupę czarnych dziur we wszechświecie, czyli obiekty pośrednie między gwiazdowymi a centralnymi w galaktykach, o wielkościach od kilkuset do kilkunastu tysięcy mas Słońca.
Jak takie obiekty mogłyby się narodzić? Chyba nie z gwiazd, ponieważ największe gwiazdy miewają masy 100–200 mas Słońca, a rekordzistka – 300. Nawet więc z tych największych gwiazd nie mogłyby powstawać czarne dziury o masach przecież znacznie większych. Zaproponowano kilka interpretacji tego zjawiska. Na przykład że powstają one z kolizji i łączenia się gwiazd w zwartych gromadach (są to bardzo stare gwiazdy zawierające wyłącznie wodór i hel – stąd ich wielkie rozmiary), które po kolapsie grawitacyjnym dają odpowiednio bardzo masywne czarne dziury. Lub że pośrednie czarne dziury powstają z postępujących po sobie kolizji i łączenia się zwykłych gwiazdowych czarnych dziur. Według trzeciej interpretacji mogą to być pierwotne czarne dziury powstałe krótko po Wielkim Wybuchu. Teoretycznie dopuszcza się ich istnienie i to, że mogą być potężne.
Nie dość tego, w 2009 r. w galaktyce ESO 243–49 odkryto tzw. obiekt HLX-1, czyli tzw. hyper-luminous X-ray source, a więc ekstremalnie intensywne źródło, emitujące 100 razy więcej promieniowania niż przeciętne ULX-y. W tym przypadku mówi się, że musi to być czarna dziura o masie ponad 500 Słońc. Potem obiektów typu HLX odkryto więcej. Problem polegał jednak wciąż na tym, że bezpośredniego dowodu na to, że ULX-y oraz HLX-y są w rzeczy samej czarnymi dziurami o masach pośrednich, nie było. O tym, że tak prawdopodobnie jest, sugerowały wyłącznie obserwacje pośrednie i interpretacje teoretyczne. Teraz jednak dowód już jest, i to twardy, w postaci fali grawitacyjnej zaistniałej po zderzeniu dwóch potężnych dziur i powstaniu jednego obiektu (czarnej dziury) o masie prawie 150 Słońc. Tak, to na pewno jest pośrednia czarna dziura. Tym samym wyjaśnia się też geneza tych tworów. Raczej nie tworzą się one wskutek kolizji bardzo masywnych gwiazd w gromadach kulistych, choć takiego wytłumaczenia całkowicie wykluczyć nie można. Wydaje się obecnie, że pośrednie czarne dziury formują się w tzw. hierarchii zderzeń, w której większe obiekty powstają z kolizji mniejszych, przy czym może tu zachodzić jeszcze dalsza multiplikacja. A więc dwie czarne dziury, same powstałe kiedyś z wcześniejszych zderzeń, teraz też się łączą i tworzą obiekty niezwykle masywne, których koalescencjami zwykłych, nawet najpotężniejszych gwiazd wyjaśnić się nie da. W każdym razie mamy obecnie pierwszy twardy dowód na to, że pośrednie czarne dziury w kosmosie istnieją. Nie ma co do tego już żadnych wątpliwości.
Skąd 85 mas Słońca?
Jednak odkrycie fali grawitacyjnej GW 190521 oraz jej niezwykłego źródła zastanowiło astrofizyków jeszcze z jednego powodu. Otóż fala powstała z kolizji dziur, z których mniej masywna miała masę 66 Słońc, a bardziej masywna – 85 Słońc. I właśnie z tą drugą jest pewien problem, który w nowym świetle ukazuje kwestię ewolucji gwiazd największych. Wiadomo, że wszystkie one w końcowej fazie życia gwiazdy zamieniają się po wybuchu supernowej lub bez tego wybuchu w czarne dziury albo mogą nawet zniknąć. Współczesne modele astrofizyczne przewidują, że gwiazdy o masach 65–120 mas Słońca czeka właśnie taki los.
Wybuch, który powoduje, że gwiazdy przestają istnieć i nie pozostaje po nich nawet czarna dziura, nazywa się supernową z niestabilnością kreacji par (pair-instability-supernova). Czarna dziura nie powstaje, ponieważ gwiazda nie doznaje kolapsu grawitacyjnego – zostaje unicestwiona w eksplozji. W gwiazdach z tego zakresu mas – zwłaszcza starych, czyli ubogich w pierwiastki poza wodorem i helem – u schyłku ich życia ciśnienie w jądrze bierze się z ogromnego pędu fotonów. Kiedy fotony stają się ekstremalnie energetyczne, powstają (kreują się) pary elektron–pozyton, ale te cząstki mają już mniejszy pęd od poprzedzających je fotonów, ponieważ został on spożytkowany na zyskanie masy. Im więcej kreuje się wewnątrz gwiazdy elektronowo-pozytonowych par z małym pędem lub z pędem minimalnym, tym ciśnienie w gwieździe jest coraz niższe. To powoduje zapadanie się obiektu, ogromny wzrost jego temperatury i w rezultacie przyspieszenie reakcji jądrowych. A ponieważ tempo tych reakcji wciąż rośnie, wewnątrz gwiazdy następuje potężny wybuch termojądrowy, którego energia staje się większa od energii wiązań grawitacyjnych. Cała gwiazda dosłownie rozpada się na wszystkie strony i nie pozostaje po niej nawet czarna dziura, jedynie mgławica, której cząstki mają dużą prędkość, więc i ona wkrótce przestaje być czymś, co można zaobserwować.
Tymczasem czarna dziura o masie 85 Słońc została przecież wykryta w źródle emitującym falę GW 190521 i na pewno tam była. W jaki sposób powstała, jak ominęła fazę supernowej z niestabilnością kreacji par i w ostateczności uniknęła całkowitej zagłady? Tego jeszcze nie wiemy. Trzeba jednak jeszcze raz przyjrzeć się astrofizycznym modelom ewolucji gwiazd największych.
Niezależnie od tego, jak zinterpretujemy istnienie w źródle wykrycia fali grawitacyjnej GW 190521 czarnej dziury o masie 85 mas Słońca, całe to odkrycie okazało się niezwykle owocne, bo ta rekordowa pod wieloma względami fala odsłoniła nam fragmenty wszechświata, o które od lat pytamy i których istnienia dokładnie wyjaśnić nie potrafiliśmy. Teraz wiemy o nich już znacznie więcej.
***
Dziennikarz naukowy tygodnika „Polityka”, na stałe związany także z miesięcznikiem „Wiedza i Życie”. Specjalizuje się w tematyce kosmicznej i fizycznej. Absolwent Uniwersytetu Warszawskiego. Astronomią i astrofizyką zaraził się, gdy w wieku 12 lat zaobserwował przez teleskop kilka pobliskich galaktyk: Andromedę, galaktykę Bodego i Cygaro.
***
A co z gwiazdami jeszcze większymi?
Istnieją też gwiazdy, które mają więcej niż 120 mas naszego Słońca, choć są niezwykle rzadkie. Te raczej pozostawiają po sobie – po stadium supernowej – masywne gwiazdowe czarne dziury. Ale odbywa się to na dwa sposoby: gwiazdy takie mogą stać się tzw. cichymi supernowymi, w których dochodzi do powstania czarnej dziury bez eksplozji supernowej. Nie ma wtedy żadnego wybuchu. W stadium tuż przed supernową zewnętrzne masy zaczynają napierać na jądro, które kurczy się, ale gdy kurczy się zbyt szybko, masy te, opadając na nie, nie zdążą się od niego odbić i wówczas nie ma eksplozji. Gwiazda zdąży wytworzyć grawitacyjnie tzw. horyzont zdarzeń, poza który nic już z czarnej dziury nie jest w stanie się wydobyć na świat, także wybuch. Kończy w ciszy i bez rozgłosu jako czarna dziura. Stąd określenie „ciche supernowe”. A co z innymi supernowymi? Jeśli ogromnie masywna gwiazda (ponad 120–150 mas Słońca) ma małą metaliczność – czyli jest stosunkowo stara – czeka ją najpewniej także los supernowej z opisanym wyżej scenariuszem niestabilności kreacji par. Czyli unicestwienie. Jeżeli jednak jej metaliczność jest duża (zawiera wiele pierwiastków), to oznacza, że traci zewnętrzne warstwy wskutek silnego wiatru gwiazdowego. Na pewno jest zatem młoda i osiągnie stadium gwiazdy Wolfa-Rayeta, a potem wybuchnie jako klasyczna supernowa z potężną gwiazdową czarną dziurą jako pozostałością.