Czarne dziury były czarną magią, ale już nie są

Ideę, że może istnieć tak masywne ciało w otchłani Wszechświata, iż nawet światło nie może z niego uciec, postulował angielski geolog John Michell w roku 1783 w pracy przesłanej do Royal Society. Przez kolejne dwa stulecia, czarne dziury były czarną magią dla świata astronomii. Ogromny wkład w ich poznanie niewątpliwie miał nieżyjący już wybitny fizyk Stephen Hawking.

Teraz nasza wiedza o tych obiektach zaczyna się szybko powiększać. W kwietniu 2019 roku naukowcy z projektu Event Horizont Telescope opublikowali pierwszy w historii obraz cienia horyzontu zdarzeń czarnej dziury. Obrazu samej czarnej dziury nigdy nie zobaczymy, ponieważ obiekty te posiadają tak potężną grawitację, że pochłaniają światło, które może je oświetlić, zatem pozostają w cieniu.

Był to historyczny moment w świecie astronomii i badań tych fascynujących obiektów. Ludzkość zjednoczyła się i stworzyła program naukowy ETH, w efekcie którego powstała globalna sieć radioteleskopów. Tygodniowa obserwacja czarnej dziury, znajdującej się w centrum galaktyki M87, pozwoliła zdobyć cenne dane na temat tego obiektu.

Event Horizon Telescope to sieć rozmieszczonych na całym świecie ok. 20 anten radiowych, które zostały ze sobą sprzężone w ten sposób, że tworzą jedną wielką czaszę anteny o wielkości całej Ziemi. Wykorzystuje się w systemie technikę zwaną interferometrią wielkobazową (VLBI), która wymaga wykorzystania oddalonych od siebie teleskopów, obserwujących ten sam obiekt pod innym kątem, dzięki czemu możliwe jest stworzenie obrazu o wysokiej rozdzielczości. Dysponuje on kątową zdolność rozdzielczą 20 mikrosekund łuku. To tak jakbyśmy znajdowali się na Wieży Eiffla i byli w stanie przeczytać gazetę wiszącą na ścianie w Nowym Jorku.

Dzięki EHT dowiedzieliśmy się, że czarna dziura w centrum galaktyki M87 ma masę 6,5 miliarda mas Słońca i oddalona jest od nas o 55 milionów lat świetlnych. Jeśli chodzi o sam cień (ciemny obszar w środku załączonego obrazu), to mierzy on 40 miliardów kilometrów, a horyzont zdarzeń jest od niego ok. 2,5 raza mniejszy. Galaktyka M87 to największy i najjaśniejszy obiekt w gwiazdozbiorze Panny.

Niedawno doszły do nas sensacyjne informacje o tym, że czarne dziury mogą być producentem złota czy srebra. Dotychczas astronomowie uważali, że złoto może powstać na drodze fuzji jądrowej. Oznacza to, że bardzo trudno je wytworzyć. Pierwiastek ten przeważnie powstaje w kolizjach gwiazd neutronowych, gdzie w wyniku fuzji jądrowych, w olbrzymich temperaturach lżejsze jądra łączą się ze sobą w cięższe. Problem w tym, że bardzo rzadko dochodzi do kolizji gwiazd neutronowych, w których może powstać złoto.

Naukowców ten fakt może zacząć zastanawiać, gdyż we Wszechświecie występują dość duże pokłady złota. Wówczas pojawiła się koncepcja, że producentem tego drogocennego na Ziemi kruszcu mogą być czarne dziury. Astronomowie tłumaczą, że pierwiastki te mogą być "produktem ubocznym" zwykłego żywota czarnej dziury, gdy pochłania ona gaz z otaczającej ją przestrzeni. Produkcja następuje w ekstremalnych warunkach. Wysoka emisja neutrin powinna ułatwiać konwersję protonów w neutrony, skutkując nadmiarem tych ostatnich, które są niezbędne do procesu produkcji pierwiastków ciężkich.

Zaledwie rok temu pojawiła się informacja, że niektóre czarne dziury są tak duże, że astronomowie wymyślili dla nich nową kategorię wielkości. Mamy supermasywne czarne dziury, są nawet ultramasywne czarne dziury, a teraz doszedł do nich zupełnie nowy rodzaj, zdumiewająco dużych czarnych dziur. Te nazwy mogą wydawać się komiczne, ale to pokazuje, jak sporo odkryliśmy już zagadek skrywanych przez czarne dziury i jak jeszcze wiele znajduje się przed nami.

Dotychczasowe modele pokazywały górną granicę mas czarnych dziur wynoszącą ok. 50 miliardów mas Słońca. Jest to granica, przy której ogromna masa obiektu wymagałaby dysku akrecyjnego tak masywnego, że uległby on fragmentacji pod wpływem własnej grawitacji. W oparciu o model pierwotnych czarnych dziur, naukowcy obliczyli dokładnie jak wielkie mogą być te obiekty. Okazuje się, że między 100 miliardów a 1 kwintylion (jedynka i 18 zer) mas Słońca. Tutaj nie można nie wspomnieć, że w sercu Drogi Mlecznej znajduje się Sagittarius A*, czyli czarna dziura o masie 4 milionów mas Słońca. Te liczby uświadamiają nam, jak potężne są to obiekty i jednocześnie, jak mała jest czarna dziura w centrum naszej galaktyki.

W ubiegłym roku astronomowie mieli kolejny powód do świętowania, gdy okazało się, że teoria przedstawiona przez Stephana Hawkinga w 1971 roku stała się rzeczywistością. Chodzi tutaj o analizę pierwszej detekcji fal grawitacyjnych dokonanej w 2015 roku. Wydarzenie GW150914 to krótki rozbłysk zarejestrowany przez interferometr LIGO, który zmienił wszystko. Była to pierwsza bezpośrednia detekcja nie jednej czarnej dziury, ale dwóch. Zderzyły się one ze sobą i utworzyły jedną większą czarną dziurę.

Nowa czarna dziura emitowała słaby sygnał, jak uderzony dzwon. W 2019 roku zespół Isiego opracował sposób na wykrycie sygnału tego dzwonienia. Jeśli horyzont zdarzeń może się kurczyć, to horyzont zdarzeń ostatecznej połączonej czarnej dziury powinien być mniejszy niż horyzont zdarzeń dwóch czarnych dziur, które ją stworzyły.

Według obliczeń, dwie mniejsze czarne dziury miały całkowity obszar horyzontu zdarzeń 235 000 kilometrów kwadratowych. Ostatnia czarna dziura miała powierzchnię 367 000 kilometrów kwadratowych. Analizy potwierdziły twierdzenie Hawkinga mówiące o tym, że obszar horyzontu zdarzeń czarnej dziury może się tylko powiększać, ale nigdy zmniejszać.