Czarne dziury nie pożywiają się w schludny sposób – pozostawiają po sobie resztki. Gdy siła przyciągania czarnej dziury sprowadzi w jej pobliże gwiazdę, rozciąga ją niczym gumę do żucia. Astrofizycy mówią o „spaghettifikacji”, bowiem czarna dziura może każdą materię zamienić w coś przypominającego spaghetti. Gdy gwiazda jest po kawałku konsumowana, pojawia się niezwykle silny błysk promieniowania. Przyćmiewa on jasnością blask wszystkich gwiazd w galaktyce.

W pracy opublikowanej na łamach czasopisma naukowego „The Astrophysical Journal” astronomowie z Obserwatorium Stewarda Arizona University pod kierunkiem dr Sixianga Wena opisują, jak wykorzystali taki rozbłysk promieniowania rentgenowskiego, by zmierzyć czarną dziurę J2150. Jest to pierwszy pomiar masy czarnej dziury i jej prędkości obrotowej. Do tego jest to czarna dziura zaliczana do rodzaju ważnego dla astrofizyków.

– To, że udało nam się zarejestrować, jak czarna dziura pochłania gwiazdę, było niebywałą szansą na obserwację czegoś, co zwykle jest niewidoczne. Analiza rozbłysku pozwoliła nam lepiej zrozumieć tę nieuchwytną kategorię czarnych dziur, które mogą stanowić większość takich obiektów obecnych w centrach galaktyk – mówi prof. Ann Zabludoff, astronom i współautorka pracy.

Czarne dziury są niewielkie lub supermasywne. Gdzie podziewają się pośrednie?

Wiemy, że istnieją czarne dziury powstałe z zapadania się masywnych gwiazd. Mają masę kilku do stu mas Słońca. W centrach galaktyk zaś ukrywają się istne monstra o masach nawet do kilkuset milionów słonecznych mas. Nie ma natomiast zbyt wielu dowodów na istnienie czarnych dziur o masach pośrednich, od stu do stu tysięcy mas słonecznych.

Dopiero dwa lata temu detektory fal grawitacyjnych LIGO i Virgo wykryły echo zderzenia dwóch czarnych dziur, zarejestrowanego jako GW190521. Jak donieśli w ubiegłym roku naukowcy, powstała z nich jedna czarna dziura – o masie 140 mas Słońca.

Astronomowie z Arizona University są przekonani, że JS2150 również musi być taką właśnie czarną dziurą o masie pośredniej. Tym razem jednak naukowcy mogli zbadać nie tylko echo po jej powstaniu, ale samą czarną dziurę. Pomógł im w tym jej apetyt.

Dlaczego J2150 musi być czarną dziurą o masie pośredniej

Analiza rozbłysku rentgenowskiego J2150 wykazała, że zgadza się on z wynikami matematycznych modeli. Musiał towarzyszyć „spożyciu” gwiazdy przez czarną dziurę o masie pośredniej. Jak szacują astrofizycy, ta czarna dziura musi mieć masę około 10 tysięcy mas Słońca.

– Emisja promieniowania rentgenowskiego przez dysk powstały z pozostałości pochłoniętej gwiazdy pozwoliła nam oszacować prędkość obrotową tej czarnej dziury i sklasyfikować ją jako jedną z czarnych dziur o masie pośredniej – mówi dr Wen.

Astronomowie widywali już wiele takich rozbłysków, ale wszystkie rejestrowane były w centrach galaktyk, gdzie znajdują się supermasywne czarne dziury. Dotychczasowe obserwacje nie były nigdy na tyle szczegółowe, żeby udało się dostrzec rozbłysk w niewielkiej galaktyce, gdzie czarna dziura powinna być mniejsza. Masy czarnych dziur są bowiem skorelowane z masami galaktyk – w dużej mogły one urosnąć bardziej, mając więcej „pożywienia”.

Trudno jest odkryć czarną dziurę o masie mniejszej niż milion Słońc

– Nadal wiemy bardzo mało o czarnych dziurach w centrach galaktyk mniejszych od Drogi Mlecznej – mówi Peter Jonker z niderlandzkiego Radboud University oraz SRON Netherlands Institute for Space Research. – Ograniczone możliwości obserwacji takich obiektów sprawiają, że trudno jest odkryć czarną dziurę o masie mniejszej niż milion Słońc – dodaje badacz.

Dlaczego te czarne dziury o masach pośrednich są dla astronomów i fizyków tak ważne? Głównie dlatego, że niewiele wiadomo o tym, jak mogą powstawać te olbrzymie, supermasywne czarne dziury, wyjaśnia Jonker. Prawdopodobnie powstają z połączenia mniejszych czarnych dziur podczas zderzeń galaktyk.

– Jeśli będziemy w stanie precyzyjniej ustalić, ile czarnych dziur o masach pośrednich istnieje w kosmosie, będziemy też mogli stwierdzić, które teorie powstawania supermasywnych czarnych dziur są prawdziwe – dodaje astrofizyk.

J2150 wiruje wolniej niż pozwala na to teoria

Jeszcze bardziej porusza naukowców to, że udało się zmierzyć prędkość, z jaką J2150 wiruje. Prof. Zabludoff tłumaczy, że opisana przez nich czarna dziura wiruje wolniej niż pozwala na to teoria. Możliwe, że to wynik tego, iż powstała z połączenia dwóch czarnych dziur całkiem niedawno. Raczej wykluczone jest to, że rosła od długiego czasu, powoli żywiąc się opadającymi na nią gazami i pyłem.

Zmierzenie prędkości obrotowej J2150 pozwoli na lepsze zrozumienie nie tylko czarnych dziur. Może również dostarczyć fizykom ciekawych informacji na temat zachowania się materii. – Jedną z hipotez dotyczących ciemnej materii jest istnienie tzw. ultralekkich bozonów – tłumaczy Nicholas C. Stone z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie, współautor pracy z „The Astrophysical Journal”.

– Jeśli takie cząstki istnieją i mają masę w pewnym szczególnym zakresie, uniemożliwią takim czarnym dziurom o pośredniej masie osiąganie zbyt wielkich prędkości obrotowych. Nasz pomiar prędkości wirowania J2150 wyklucza istnienie szerokiej klasy takich cząstek i pokazuje, jak ważne są badania czarnych dziur. Są one pozaziemskimi laboratoriami do badań fizyki cząstek – mówi Stone.

Jak stworzyć „spis powszechny” czarnych dziur we Wszechświecie

Astronomowie mają nadzieję na dalsze obserwacje takich kosmicznych zdarzeń. Jeśli okaże się, że większość galaktyk karłowatych zawiera czarne dziury o masach pośrednich, obserwacje ich rozbłysków pozwolą na stworzenie „spisu powszechnego” takich dziur we Wszechświecie – tłumaczą badacze.

Na razie jest to jednak pierwsza taka obserwacja. Szczególne nadzieje na nowe naukowcy wiążą z Obserwatorium imienia Very C.  Rubin, które ma rozpocząć pracę w końcu przyszłego roku. Zwierciadło teleskopu w tym obserwatorium będzie mieć unikatową konstrukcję. Pozwoli na obserwacje większego pola niż dotychczasowe teleskopy tych rozmiarów. Astronomowie i fizycy będą mieć do dyspozycji kopalnię nowych danych.

Źródła: University of Arizona, Astrophysical Journal.