Co wyprawia czarna dziura po sąsiedzku

Zaskakującym faktem, znanym dopiero od kilku dziesięcioleci, jest to, że każda duża galaktyka we Wszechświecie zawiera w swoim centrum supermasywną czarną dziurę. Naukowcy podejrzewali to już w latach 80., a obserwacje teleskopu Hubble’a, który zajrzał w głąb galaktyk na całym niebie, potwierdziły tę hipotezę. „Normalne” czarne dziury powstają w wyniku eksplozji gwiazd o masie od pięciu do około 100 razy większej od masy naszego Słońca. Gargantuiczne potwory kryjące się w centrach galaktyk są miliony razy masywniejsze, a niektóre z nich osiągnęły gigantyczną masę rzędu miliardów mas Słońca.

Oczywiście pozostaje wiele tajemnic, takich jak to, w jaki sposób doszło do powstania tych czarnych dziur w początkowym okresie historii Wszechświata, jak zdołały tak szybko osiągnąć tak wielkie rozmiary i jaką rolę odegrały w procesie formowania galaktyk, w których się znajdują. Jedno pytanie szczególnie nurtuje astronomów – jaka jest dolna granica wielkości galaktyki, poniżej której ten trend znika? Innymi słowy, przy jak małej masie galaktyka jest wciąż w stanie zawierać jedną z tych bestii?

Okazuje się, że odpowiedzi zdaje się dostarczać zaskakujące źródło – badania rzadko występujących gwiazd, które mkną po naszej Galaktyce z wręcz niebotyczną prędkością.

Wokół Drogi Mlecznej orbituje cała menażeria galaktyk „karłowatych”; niektóre są tak małe i świecące tak słabo, że aby je dostrzec, potrzebne są silne teleskopy. Jednakże dwie spośród z nich znajdują się na tyle blisko, że widać je gołym okiem z półkuli południowej – Wielki i Mały Obłok Magellana. Wielki Obłok Magellana (LMC) jest większy i bliższy z tych dwóch, lecz nie jest jasne, czy zawiera supermasywną czarną dziurę (supermassive black hole, SMBH). Gdyby tak było, musi być ona uśpiona, co oznacza, że nie pochłania aktywnie materii z otoczenia. Materia spadająca w kierunku takiej czarnej dziury tworzy wirujący dysk przegrzanej plazmy, który świeci tak jasno, że potrafi przyćmić wszystkie gwiazdy w galaktyce razem wzięte. W obrębie LMC nie obserwuje się tak intensywnego blasku, nie wiemy zatem, czy istnieje w nim SMBH, lecz nie pochłania materii, czy też po prostu SMBH tam nie ma.

Jednakże najnowsza praca opublikowana ostatnio w „Astrophysical Journal” dostarcza mocnych dowodów na to, że w obrębie LMC rzeczywiście znajduje się SMBH, na podstawie pomiarów ruchów gwiazd w naszej Galaktyce – Drodze Mlecznej. W badaniu przyjrzano się gwiazdom hiperprędkim, które przemierzają przestrzeń kosmiczną znacznie szybciej niż gwiazdy wokół nich. Niektóre z nich pędzą tak szybko, że osiągają galaktyczną prędkość ucieczki, co oznacza, iż oddziaływanie grawitacyjne Drogi Mlecznej nie jest w stanie dłużej zatrzymywać ich w jej obrębie. W nadchodzących eonach całkowicie opuszczą one galaktykę i mamy dobre powody, by przyjmować, że zostały rozpędzone przez SMBH – ale jak właściwie do tego doszło?

Tego rodzaju sytuacja zaczyna się od dwu gwiazd obiegających się wzajemnie jako układ podwójny. Układ taki zawiera znaczną ilość energii orbitalnej, która jest sumą energii kinetycznej obu gwiazd, czyli energii ich ruchu, oraz ich grawitacyjnej energii potencjalnej, czyli ilości energii, która zostałaby uwolniona, gdyby się do siebie przybliżyły.

Jeśli gwiazda podwójna zbliży się do innego obiektu, część jej energii ewentualnie ulega transferowi. Jeden z jej składników może na przykład związać się z tym trzecim obiektem, podczas gdy drugi otrzymuje impuls energii kinetycznej, który go wyrzuca z układu. Siła tego impulsu zależy częściowo od grawitacji owego obiektu. Masywna czarna dziura ma oczywiście niezwykle silne pole grawitacyjne, które jest w stanie rozpędzić gwiazdę do olbrzymiej prędkości.

Prędkość, jaką mam na myśli, jest naprawdę duża – nawet ponad 1000 km/s. S5-HVS1, pierwsza potwierdzona gwiazda hiperprędka, przebywa ponad 1700 km w ciągu jednej sekundy. Poświęćcie chwilę, aby w pełni uświadomić sobie ten fakt – oto mamy do czynienia z gwiazdą wyrzuconą z czarnej dziury z prędkością ponad 6 mln km/godz. Wchodzące tu w grę wartości energii są wręcz porażające.

W obrębie naszej Galaktyki zaobserwowaliśmy kilka tego typu gwiazd i dokładne pomiary wykazują, że oddalają się one od centrum, co bardzo mocno przekonuje, że odpowiada za to Sagittarius A*, supermasywna czarna dziura w Drodze Mlecznej.

Jednak nie wszystkie wykryte gwiazdy hiperprędkie wydają się pochodzić z centrum naszej Galaktyki. Na szczęście Gaia, obserwatorium astronomiczne Europejskiej Agencji Kosmicznej, którego misja niestety obecnie już dobiegła końca, zostało zbudowane tak, aby wykonywało niezwykle dokładne pomiary położenia, odległości, barwy i innych parametrów – w tym prędkości – ponad miliarda gwiazd.

Na obrzeżach Drogi Mlecznej rozpoznano dwadzieścia jeden gwiazd hiperprędkich. Używając niebywale precyzyjnych pomiarów wykonanych przez sondę Gaia, astronomowie odpowiedzialni za te nowe badania, przeanalizowawszy prędkości w trzech wymiarach gwiazd w różnych miejscach przestrzeni kosmicznej, odkryli, że pięć z nich ma niejednoznaczny początek, natomiast dwie zdecydowanie pochodzą z centrum Drogi Mlecznej. Spośród pozostałych 14 trzy wyraźnie przybyły z kierunku LMC. Trajektorie tych gwiazd jednoznacznie wyznaczają swój punkt początkowy i zgodnie z obecnym stanem naszej wiedzy musi to być supermasywna czarna dziura.

Ponadto jakkolwiek trajektorie pozostałych 11 gwiazd są zgodne zarówno z ich początkiem w Drodze Mlecznej, jak i w LMC, badacze stwierdzili, że pięć z nich z większym prawdopodobieństwem wywodzi się z naszej Galaktyki macierzystej, a reszta z LMC.

Niewykluczone zatem, że dziewięć ze znanych gwiazd hiperprędkich przelatujących przez naszą Galaktykę zostało wyrzuconych przez supermasywną czarną dziurę w innej galaktyce.

Stosując zaawansowane obliczenia matematyczne, badacze oszacowali, że najbardziej prawdopodobna masa czarnej dziury wynosi około 600 tys. mas Słońca, niezbyt imponująco jak na SMBH – faktycznie jest to wartość z dolnego krańca skali – lecz w końcu LMC jest maleńką galaktyką, której masa stanowi zaledwie około 1% masy Drogi Mlecznej. Wiemy, że masa czarnej dziury jest zazwyczaj wprost proporcjonalna do masy galaktyki, w której się znajduje (ponieważ powstają one razem i wzajemnie wpływają na swój wzrost), zatem ta niższa masa jest zgodna z tą zależnością.

Jeśli obliczenia te są dokładne, to nasza galaktyka satelitarna ostrzeliwuje nas gwiazdami! Być może istnieje jeszcze więcej takich obiektów – pędzących przez przestrzeń kosmiczną, niewidocznych po drugiej stronie naszej Galaktyki lub znajdujących się tak daleko, że trudno je dostrzec, a jeszcze trudniej badać. Wszystkie te informacje pozwalają nam zyskać jaśniejsze – choć wciąż bardzo mgliste – wyobrażenie o tym, w jak małych galaktykach możemy spodziewać się wykrycia dużych czarnych dziur.

Czarne dziury są niezwykłymi tworami. Niektórzy obawiają się, że wpadną do którejś z nich. Teraz listę przerażających przypadków można uzupełnić o „trafienie przez międzygalaktyczny gwiezdny pocisk”.