W 2015 roku detektor LIGO po raz pierwszy zarejestrował fale grawitacyjne. Pochodziły ze zderzenia dwóch czarnych dziur o masach wynoszących kilkadziesiąt mas Słońca. Zdarzenie to wstrząsnęło Wszechświatem – dosłownie, bowiem fale grawitacyjne rozciągają i kurczą czasoprzestrzeń na swojej drodze – oraz światem astronomii i fizyki. Istnienie fal grawitacyjnych przewidziała teoria względności niemal równo sto lat temu. Nareszcie udało się dowieść jej poprawności.

Był jeszcze jeden powód wstrząsu w świecie nauki. Przedtem nie widywano tak dużych czarnych dziur. Obiekty te są co prawda niewidoczne (stąd ich nazwa), jednak można obserwować błyski spadającej na nie materii lub nawet to, jak pochłaniają gwiazdy. Można też wnosić o ich istnieniu z ruchu okolicznych gwiazd. Takie obserwacje, prowadzone za pomocą teleskopów, odkrywały czarne dziury co najwyżej o masie dwudziestu słońc.

Od sześciu lat detektory LIGO i Virgo regularnie rejestrują fale grawitacyjne. Wszystkie pochodzą ze zderzeń czarnych dziur znacznie masywniejszych niż te obserwowane za pomocą teleskopów. Coś tu się nie zgadzało. Zespół astronomów z Niderlandzkiego Instytutu Badań Kosmicznych (SRON) sądzi, że znalazł wyjaśnienie tej zagadki. Pracę na ten temat publikuje w „Astrophysical Journal”.

Masywne czarne dziury zostają tam, gdzie powstały

Największe czarne dziury powstają z zapadania się masywnych gwiazd. Ponieważ nie jest to zjawisko gwałtowne, taki obiekt pozostaje w tym samym miejscu, w którym żyła gwiazda. Większość z masywnych czarnych dziur musi więc znajdować się w dysku naszej Galaktyki. Teleskopom optycznym przesłoni je galaktyczny gaz i pył.

Mniej masywne czarne dziury powstają z kolei w wybuchach supernowych. To zjawiska gwałtowne, co sprawia, że nowo powstała czarna dziura nabiera pędu. Część z nich wyrzucana jest z płaszczyzny dysku Drogi Mlecznej. Łatwiej je wtedy zaobserwować, bo nic ich nie zasłania.

Detektory z kolei wykrywają fale grawitacyjne pochodzące ze zderzeń masywnych czarnych dziur, bo takie zderzenia produkują silniejsze fale. Słabsze fale, pochodzące ze zderzeń mniej masywnych obiektów, po prostu im umykają. Bardziej czułe detektory (planowane w przyszłości) mogłyby wykrywać także zderzenia mniej masywnych czarnych dziur.

Dodatkowo im masywniejszy obiekt, tym dalej od niego znajdują się stabilne orbity, po których można go okrążać (i nań nie spaść). To dodatkowo utrudnia wykrycie masywnych czarnych dziur. Gwiazdy, które pośrednio pozwoliłyby je dostrzec, krążą w większej odległości od nich.

Teleskop Webba wkrótce zbada, czy masywne czarne dziury ukrywają się w dysku Drogi Mlecznej

Już za pięć tygodni, 18 grudnia, na orbitę trafi kosmiczny Teleskop Webba. Pozwoli naukowcom przetestować wszystkie te hipotezy. Będzie rejestrować także fale podczerwone, które są znacznie słabiej zatrzymywane przez pyły i gazy.

Po raz pierwszy będzie można też wyznaczyć masy kilku „kandydatów na czarne dziury”, leżących w płaszczyźnie Drogi Mlecznej. Teleskopy optyczne, obserwujące światło widzialne, nie miały takiej możliwości.

Dodatkowo sam rozmiar zwierciadła sprawi, że Teleskop Webba będzie mógł obserwować miliony gwiazd w dysku Drogi Mlecznej niewidoczne dla mniejszych teleskopów. Nie bez znaczenia jest również, że obserwacje będzie prowadził z kosmosu, więc nie zaburzy ich promieniowanie podczerwone emitowane przez ziemską atmosferę.

Źródło: SRON, Astrophysical Journal