Królestwo czarnych dziur w Drodze Mlecznej. Są ich tam prawdopodobnie miliony

Istnienie masywnego obiektu w centrum Drogi Mlecznej było postulowane przez ludzi nauki jeszcze zanim zaczęliśmy rozumieć prawdziwą naturę galaktyk i pojęliśmy fakt, że ta nasza nie jest jedyną. Już przed 50. laty pojawiła się sugestia, że takim obiektem mogłaby być ogromna czarna dziura. Pod koniec XX wieku obserwacje radiowe w coraz większym stopniu potwierdzały taką teorię, aż w końcu w 2022 r. z pomocą Event Horizon Telescope udało nam się uzyskać pierwszy obraz tak zwanego źródła Sgr A*. Jest ono utożsamiane z supermasywną czarną dziurą o masie 4,3 miliona mas Słońca.

Obejrzyj w

Supermasywne czarne dziury to jedna z kategorii tych obiektów określana angielskojęzycznym skrótem SMBH. Są też czarne dziury o średniej masie (IMBH), rzędu tysięcy mas Słońca, które między innymi mogą stanowić centra gromad kulistych. Są też tak zwane pierwotne czarne dziury, uformowane we wczesnych etapach istnienia Wszechświata. Ich masy mają bardzo szeroki zakres, mogą one być nawet tak mało masywne jak kartka papieru (istnienie czarnej dziury nie ma związku z masą, a zajmowaną przez nią przestrzenią). Najpopularniejszą w świadomości amatora astronomii jest jednak czarna dziura o masie gwiazdowej, powstała w wyniku zjawiska supernowej. Związana najczęściej z szybko ewoluującymi bardzo masywnymi gwiazdami. Takie czarne dziury występują licznie w Drodze Mlecznej, a największe ich skupisko znajduje się w jej centrum.

Trudne obserwacje centrum Galaktyki

Obserwacje centralnej części Drogi Mlecznej są bardzo trudne. Nie można ich prowadzić w świetle widzialnym, gdyż pył znajdujący się w dysku galaktycznym skutecznie je pochłania. By zajrzeć do centrum trzeba obserwacji w podczerwieni lub falach radiowych. Lecz nawet takie obserwacje uniemożliwiają skuteczne wykrycie obiektów o charakterze czarnej dziury o masie gwiazdowej. Obserwujemy w takim przypadku promieniowanie z materii spływającej na horyzont zdarzeń czarnej dziury. Pomocne są więc modele ewolucji gwiazd i porównywanie ich z tym co jesteśmy w stanie dostrzec przez teleskopy. Na ich podstawie ugruntował się pogląd, że w okolicy centralnego obiektu Sgr A* znajduje się co najwyżej 300 czarnych dziur, które powstały w wyniku ewolucji masywnych gwiazd.

Orbity gwiazd w okolicy centrum Galaktyki. (fot: NCSA/UCLA/Keck)

Wyzwanie temu przekonaniu rzucili astronomowie z Uniwersytetu Karola w Pradze oraz Instytutu Helmholtza na Uniwersytecie w Bonn. Sugerują oni, że takich gwiazdowych czarnych dziur w centrum Drogi Mlecznej jest nie kilkaset, ale nawet 100 milionów w obszarze parseka sześciennego. Parsek sześcienny to sześcian, którego bok ma długość 3,26 roku świetlnego. Z perspektywy otoczenia Słońca w takiej przestrzeni nie znajdziemy nawet jednej gwiazdy. Najbliższa nam Proxima Centauri znajduje się 4,24 roku świetlnego od Słońca. Centra gromad kulistych, które już są bardzo gęste, zawierają w parseku sześciennym miliony gwiazd. To jednak nic w porównaniu ze spodziewaną obfitością samych czarnych dziur w okolicy centrum Drogi Mlecznej. Już sam fakt istnienia czarnej dziury i związane z tym implikacje zachęcają do niezwykłych rozważań, a co dopiero, gdy jest ich tak dużo.

Skąd pomysł na 100 milionów czarnych dziur?

Hipoteza tak dużej gęstości czarnych dziur w środku Galaktyki ma związek z tym, co utrudnia także ich obserwacje, czyli bardzo dużą gęstością gazu i pyłu. To sprzyjające warunki dla powstawania najmasywniejszych z gwiazd, które klasyfikowane są przez astronomów jako gwiazdy typu O i B. Te pierwsze o masie co najmniej kilkunastu mas Słońca przechodzą przez kompletną ścieżkę ewolucji w ciągu kilku milionów lat, są bardzo jasne i łatwo je dostrzec nawet przez chmury pyłu spowijające centrum Galaktyki. Drugi typ gwiazd to także jasne obiekty, jednak ich masa jest mniejsza, a przez to także czas istnienia jako gwiazda. Może to być od 10 do 100 milionów lat.

Przy tak krótkim czasie ewolucji, połączenie eksplozji supernowych i ciągłego zasilania obszaru w nowe obiekty, doprowadziłoby do powstania dużej liczby czarnych dziur. Te ostatnie zderzałyby się z innymi gwiazdami i rozrywałyby je (ten proces określono jako „mielenie gwiazd”), jednocześnie wzbogacając otoczenie w materię, która ponownie posłużyłaby to powstania kolejnych masywnych gwiazd, a z nich kolejnych czarnych dziur.

Obserwacje centrum Galaktyki i gwiazd przeprowadzone przez teleskop Kecka juz kilkanaście lat temu. Literki X oznaczają młode masywne gwiazdy. (fot: Keck/UCLA)

Takiej hipotezy nie da się potwierdzić przez bezpośrednie obserwacje. Skoro jednak widzimy blisko centrum Drogi Mlecznej (w tak zwanej gromadzie S) gwiazdy typu O i B, możemy zaprząc aparat matematyczny, by wymodelować ewolucję takiego obszaru. Istotnym spostrzeżeniem obserwacyjnym jest fakt, że centrum Galaktyki zawiera mniej gwiazd typu O niż inne regiony. To zdaniem naukowców podstawa, by twierdzić, że destrukcja takich gwiazd napędza powstawanie czarnych dziur jak i dostarczanie materii to tworzenia nowych gwiazd. Jednocześnie obserwacje wskazują, że centralne obszary Drogi Mlecznej są dość bogate w mniej masywne gwiazdy typu B.

To spostrzeżenie z kolei pozwoliło narzucić ograniczenie na spodziewaną liczbę zwykłych czarnych dziur w otoczeniu supermasywnej czarnej dziury. I stąd wspomniane około 100 milionów. To i tak ogromna liczba, a dynamika tego obszaru musi być niesamowita, jednocześnie może ona wyjaśnić niektóre zjawiska obserwowane w Galaktyce. Takie jak gwiazdy o bardzo dużej prędkości, które są na trajektoriach prowadzących do ucieczki z Drogi Mlecznej. Są one przede wszystkim typu B, co pasuje do obliczeń.

Potwierdzenie powyższej hipotezy o ogromnej liczbie czarnych dziur może przyjść z różnych stron. Mogą to być obserwacje fal grawitacyjnych, zjawisk soczewkowania pojedynczych gwiazd czy też gwiazd otoczonych chmurami pyłowymi, których powstanie również byłoby konsekwencją spotkań gwiazd i czarnych dziur.

Źródło: arxiv.org/abs/2503.15598, inf. własna, foto wejściowe: NASA SVS