Skąd biorą się czarne dziury? Teraz mamy już pewność

Czarne dziury, za których badania w 2020 roku wręczono Nobla, to obiekty, które budzą grozę swoją niesamowitą grawitacją. Jest ona tak duża, że powstaje wokół nich sfera zwana horyzontem zdarzeń. Rozmiar horyzontu zdarzeń zależy od masy czarnej dziury, bo ta może być różna. Kto lub cokolwiek co przekroczy horyzont zdarzeń nie jest w stanie powrócić do naszego wszechświata. Dokładna fizyka stojąca za czarnymi dziurami jest bardziej skomplikowana niż to proste wyobrażenie tak gęstego obiektu, że pochłonie nawet światło, ale w naszym przypadku wystarczająca.

Istotny jest tutaj bowiem proces, który prowadzi do powstania czarnej dziury, czyli skompresowania materii tak mocno. W przypadku czarnych dziur o masie gwiazdowej powszechnie uważa się, że poprzedzającym zjawiskiem jest wybuch supernowej. Czyli zapadnięcie się gwiazdy wielokrotnie masywniejszej od Słońca, gdy ta nie jest w stanie spalać już coraz cięższych pierwiastków w swoim wnętrzu. Czasem gwiazda nie jest tak masywna, żeby mimo wybuchu supernowej powstała czarna dziura. Wtedy powstaje gwiazda neutronowa. Jednak ważna jest kolejność: masywna gwiazda - supernowa - pozostałość po supernowej.

Powstania czarnej dziury dotychczas nie obserwowaliśmy

Supernowych obserwuje się w ciągu roku wiele, gdyż wszechświat jest przepastny. Dzięki temu, choć w pojedynczej galaktyce to stosunkowo rzadkie zjawisko, mając ich miliony w polu widzenia, zawsze gdzieś taka supernowa wybuchnie. W odległych galaktykach obserwujemy wybuch i puf, potem już nic. Nie obserwujemy pozostałości po eksplozji.

W Drodze Mlecznej jest inaczej. Wybuchów w czasach nowoczesnej astronomii nie obserwowano, widzimy to co dawne supernowe stworzyły, ale nie widzieliśmy tego co było wcześniej. Niestety nie widzimy całego procesu, czyli gwiazdy, która eksploduje, a potem w jej miejscu jest obiekt taki jak czarna dziura czy gwiazda neutronowa otoczona wyrzuconą materią, często tworzącą piękne mgławice jak np. Krab.

Mgławica Krab w Drodze Mlecznej. (fot: Webb)

Sceptycy mogą więc powiedzieć, że nie mamy pewności, że czarna dziura czy gwiazda neutronowa to obiekt bezpośrednio związany z eksplozją supernowej. Drobna nieścisłość, ale wystarczająca, by kwestionować istniejące teorie. Na szczęście to już się zmieniło.

Pod koniec XVIII wieku William Herschel, ten który odkrył Urana, niezwykłe księżyce Saturna znane jako Enceladus i Mimas, a także jako pierwszy obliczył wysokość gór na Księżycu, odkrył galaktykę w gwiazdozbiorze Wieloryba, którą dziś oznaczamy jako NGC 157. Oczywiście nie zdawał sobie wtedy jeszcze sprawy z tego, że jest to w ogóle galaktyka, ani że znajduje się 75 milionów lat świetlnych od nas. Ponad 200 lat później w 2009 roku stała się ona miejscem pozagalaktycznej eksplozji supernowej. Takiej jak setki innych. W 2022 roku ponownie wybuchła w niej supernowa, ale tym razem była to supernowa bardzo niezwykła.

Galaktyka NGC 157. (fot. ESO)

Nadano jej oznaczenie SN2022jli (literki oznaczają kolejne zjawisko supernowej w ciągu roku w kosmosie) i uważnie obserwowano to jak zmienia się jej jasność. Supernowe mają to do siebie, że po nagłym gwałtownym wzroście jasności potem ją zmniejszają, ale znacznie wolniej niż przed wybuchem. To tak jakby zapalić zapałkę i ją zgasić, a potem obserwować coraz słabiej żarzącą się jej główkę.

Supernowa, która wybuchła w podwójnym układzie gwiazd

Thomas Moore i Ping Chen, astronomowie, obserwowali te zmiany nie spodziewając się odkryć nic ponad to co już dobrze znaliśmy. A jednak ten spadek jasności był inny niż dotychczas. Supernowa gasła, ale od czasu do czasu nieznacznie jaśniała i przyciemniała się w stosunku do tego co przewiduje teoria. I teraz najciekawsze. Astronomowie zaprzęgli najpotężniejsze teleskopy na świecie, NTT, VLT i kosmiczne, by dokładnie przyjrzeć się tej supernowej. Udało się wyjaśnić skąd takie fluktuacje jasności.

Przebieg zjawiska supernowej w układzie podwójnym. Najpierw mamy dwie gwiazdy, z czego jedna szybciej ewoluuje i eksploduje. Druga gwiazda nie ulega zniszczeniu i po eksplozji obiega powstałą czarną dziurę lub gwiazdę neutronową. (wizualizacja: ESO)

Okazuje się, że supernowa wybuchła w układzie podwójnym. Jedna gwiazda uległa więc dezintegracji i przekształceniu w czarną dziurę, ewentualnie gwiazdę neutronową. Teraz mamy tego pewność, bo odszyfrowano przebieg zjawiska. I tak, jedna gwiazda eksploduje, wyrzuca materię, która częściowo spada na mniej masywnego towarzysza rozdymając go znacznie. Tak bardzo, że powstały super zwarty obiekt obiegając wciąż swojego towarzysza zahacza teraz o jego zewnętrzne warstwy i wykrada materię. Ta opada na ten zwarty obiekt wywołując zmiany jasności układu z okresem około 12,4 dnia. Bo w takim tempie pozostałość supernowej i jej towarzysz obiegają się wzajemnie.

Najlepsze znane nam wyjaśnienie tego co powstaje po wybuchu supernowej

To prawda, naukowcy nie widzą tam nic poza źródłem światła. Nie są w stanie rozdzielić składników, bo galaktyka NGC 157 jest za daleko. Jednak widzą zjawisko, które da się wytłumaczyć istnieniem dwóch obiektów, z których jeden to czarna dziura lub gwiazda neutronowa. Gdy obserwuje się zwykłą supernową to nie możemy powiedzieć, że widzimy dowód na istnienie czegoś co w ten sposób powstało. Podobnie jest gdy obserwujemy układ podwójny z czarną dziurą, ale wiele lat po wybuchu.

Układ podwójny z czarną dziurą. (wizualizacja: ESO)

Tłumaczenia astronomów często bywają pokrętne, ale niestety takie obecnie mamy tylko możliwości. A przecież jeszcze 100 lat temu nie wiedzieliśmy, że istnieje coś takiego jak Galaktyki. Istnienie czarnych dziur przewidział Karl Schwarzschild rozwiązując równania teorii Einsteina w 1915 roku, o możliwości powstawania gwiazd neutronowych poinformowali nas Waalter Baade i Fritz Zwicky w 1934 roku.

Dziś czarne dziury kojarzą się nam z takimi nazwiskami jak Hawking, Thorne, Penrose i opowieściami s-f. To wciąż obiekty enigmatyczne, choć zdaje się, że policzyliśmy w ich temacie wszystko.

Źródło: ESO, inf. własna