Wściekłe i niechlujne. Poznasz średnią czarną dziurę po śladach jatki
Znamy przykłady „lekkich” czarnych dziur a masie kilku Słońc, które powstały przez zapadanie się masywnej gwiazdy w wyniku wybuchu supernowej. Znamy też supermasywne czarne dziury cięższe niż miliony lub nawet miliardy Słońc, które tworzą się w jądrach galaktyk. Jednak czarne dziury w przedziale pomiędzy 100–10 tys. mas Słońca, są dość enigmatyczne. Dotychczasowa wiedza o powstawaniu i ewolucji gwiazd podpowiada, niemożliwe jest istnienie gwiazdy tak masywnej, aby po wybuchu przerodziła się w czarną dziurę o masie kilkuset Słońc. Nowe badania prowadzone przez doktorantkę Fulyę Kıroğlu, dają jednak nadzieję na odkrycie takich czarnych dziur.
Badaczka z Northwestern University w Illinois analizowała efekt bliskich kontaktów pomiędzy średnio masywnymi czarnymi dziurami i gwiazdami o masie Słońca. Symulacje wykonane za pomocą programu o subtelnej nazwie StarSmasher, czyli niszczyciel gwiazd, rysują obraz dość dramatyczny: gwiazda trafiająca w pobliże czarnej dziury jest obdzierana ze skóry i traci większość swojej masy. Zanim jednak zdąży się kompletnie rozpaść, odlatuje w przestrzeń kosmiczną. W tym czasie czarna dziura wciąż objada się resztkami, a pozostałości z posiłku wyrzuca w potężnych dżetach.
Dżety, czyli superszybkie wyrzuty gazu są bezpośrednią konsekwencją opadania materii na czarną dziurę. Ponieważ jednak ilość osiadającego na niej gazu jest znacznie większa, niż może ona pochłonąć, duża jej część jest wyrzucana w przestrzeń kosmiczną. Naukowcy pierwszy az zaobserwowali jednocześnie światło z bezpośredniego otoczenia czarnej dziury i dżet przez nią wyrzucany. Strumień gazu wyrzucany z centrum galaktyki M87 był znany naukowcom od dawna, ale dopiero teraz dzięki połączonej sile obserwatoriów radiowych, można dokładnie zobaczyć, w jaki sposób materia zbierana wokół czarnej dziury jest wyrzucana z ogromnymi prędkościami z jej otoczenia. Artykuł na ten temat opublikowano w „Nature”.
Ja na razie symulacje to jedyny sposób na „obserwowanie” średnio masywnych czarnych dziur. Imitowanie ich zachowania pod wpływem grawitacji i analizowanie teoretycznych wyników wirtualnych zderzeń z innymi obiektami, pozwala jednak zrozumieć, w jaki sposób odkrywać je w przestrzeni kosmicznej. Z badań, które zostaną opublikowane w „The Astrophysical Journal”, wiemy na przykład, że gwiazda przyciągnięta przez masę czarnej dziury, wykonuje tylko kilka okrążeń po spiralnej orbicie wokół niej. Przy każdym zbliżeniu traci znaczące ilości swojej masy, która opada w otoczenie czarnej dziury, emitując światło. Każdy kolejny blask jest coraz jaśniejszy. To może być charakterystyczny sygnał, który uda się znaleźć przy przypadkowych obserwacjach zmian jasności obiektów na niebie.
Inną informacją uzyskaną dzięki badaniu jest to, że gwiazda wyrzucana jest z ogromną prędkością kilku tysięcy kilometrów na sekundę (to ~1% prędkości światła). Superszybkie ciało niebieskie odarte z części swojej otoczki może być zatem dowodem na niedawne spotkanie ze średnio masywną czarną dziurą. Co więcej, prędkość, z jaką jest wyrzucana gwiazda, jest proporcjonalna do masy czarnej dziury, a to może pozwolić na choćby przybliżone oszacowanie jej właściwości.
Tylko po co szukać średnich czarnych dziur? Rzecz w tym, że mogą one być kluczem do innej kosmicznej zagadki. W odległych galaktykach obserwujemy gigantyczne czarne dziury, ważące tyle, co miliardy Słońc. Te, które jak M87 są względnie blisko, (a więc są w podobnym wieku co nasza Galaktyka), możemy próbować wytłumaczyć dokarmianiem gazem przez miliardy lat, którego efekty są zresztą wciąż widoczne w spektakularnych dżetach (patrz ramka). Dużo trudniej jest za to wytłumaczyć obserwowanie ich zaledwie kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu. Jak te monstrualne obiekty mogły powstać tak szybko? Wydaje się, że jedynym znanym sposobem jest łączenie się wielu czarnych dziur o masach rzędu kilku tysięcy mas Słońca. Tę teorię mogłoby uwiarygodnić tylko wykrycie takich obiektów.