Wir czasoprzestrzenny wokół czarnej dziury. Pierwsza obserwacja w historii
Ogólna teoria względności mówi, że grawitacja stanowi przejaw zakrzywienia czasoprzestrzeni spowodowanego obecnością masy i energii. A gdy dochodzi do interakcji potężnych obiektów kosmicznych, może dojść nawet do zauważalnego zawirowania czasoprzestrzeni, która ciągnie się jak spaghetti. Naukowcy zaobserwowali taki potężny wir po raz pierwszy w historii. Efekt Lense'a-Thirringa towarzyszył rozerwaniu gwiazdy przez wirującą, supermasywną czarną dziurę w zdarzeniu zwanym rozerwaniem pływowym. A działo się to w odległej galaktyce.
Spis treści:
- Kiedy czarna dziura rozrywa gwiazdę, ta rozciąga się jak spaghetti
- Grawitacja to zakrzywienie czasoprzestrzeni. A co, gdy obiekt wiruje?
- Pierwsza obserwacja efektu Lense'a-Thirringa wokół czarnej dziury
Kiedy czarna dziura rozrywa gwiazdę, ta rozciąga się jak spaghetti
Zdarzenie rozerwania pływowego (ang. tidal disruption event - TDE) pojawia się, gdy gwiazda przechodzi w pobliżu supermasywnej czarnej dziury i jest rozrywana przez jej siłę pływową. Gwiazda przechodzi spaghettizację, rozciągając się niczym makaron. Strumień materii gwiezdnej zakręca się wokół czarnej dziury, a jej część zostaje na orbicie, tworząc dysk akrecyjny wokół czarnej dziury, który emituje promieniowanie elektromagnetyczne.
W miarę pochłaniania materii z dysku przez czarną dziurę, co może zająć kilka miesięcy albo lat, TDE zanika. Jest ono więc zdarzeniem przejściowym i dość nietrwałym. Po raz pierwszy jego detekcji dokonano w latach 90. XX wieku, ale przewidziano je już dwie dekady wcześniej. Do tej pory wykryto w zakresie optycznym, podczerwonym, radiowym i rentgenowskim setki wystąpień tego zjawiska. Jednak ostatnio naukowcy zaobserwowali coś po raz pierwszy. To towarzyszący rozerwaniu pływowemu wir czasoprzestrzenny.
Grawitacja to zakrzywienie czasoprzestrzeni. A co, gdy obiekt wiruje?
Ogólna teoria względności Alberta Einsteina tłumaczy, że grawitacja to przejaw zakrzywienia czasoprzestrzeni spowodowanego obecnością masy i energii. Ciała posiadające masę zakrzywiają czasoprzestrzeń wokół siebie, a im większa ta masa, tym silniejsze zakrzywienie. A co się dzieje, gdy potężne, ciężkie obiekty obracające się z dużą prędkością? Do takich bez wątpienia zaliczają się supermasywne czarne dziury, które mogą osiągać 5 milionów razy większą masę od Słońca i niemal wszystkie co do zasady wirują. A razem z nimi czasoprzestrzeń, choć do niedawna jedynie w sferze teorii. Oto jak wyglądać może takie zjawisko:
Zespół naukowców z Chin, Polski (dr Mariusz Gromadzki z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego), Wielkiej Brytanii i paru innych krajów dokonał niedawno pierwszej wyraźnej obserwacji wiru czasoprzestrzennego. Odkrycie zostało szczegółowo opisane na łamach wpływowego "Science Advances". Na początku 2024 roku badali oni krótki rozbłysk świetlny (transjent optyczny) AT2020afhd, usytuowany w jądrze galaktyki LEDA 145386. Zjawisko, obserwowane w zakresach radiowym i rentgenowskim, wykazywało zmiany powtarzające się rytmicznie co 20 dni. Nieaktywna gwiazda utworzyła dysk plazmy, a wokół czarnej dziury uwolniony został strumień (dżet) materii.
Pierwsza obserwacja efektu Lense'a-Thirringa wokół czarnej dziury
To badanie zdarzenia TDE po raz pierwszy umożliwiło obserwację w dużej skali efektu Lense'a-Thirringa, zjawiska przewidzianego przez ogólną teorię względności, które polega nie tylko na zakrzywieniu czasoprzestrzeni przez obracającą się masę, ale także na jej "wleczeniu" i skręceniu za sobą. Zjawisko już wcześniej potwierdzono eksperymentalnie w pobliżu Ziemi (misja Gravity Probe B agencji NASA, rozpoczęta w 2004 r.), a teraz zaobserwowano je w odległej galaktyce, w skali niebotycznie większej niż w przypadku pola grawitacyjnego naszej planety.
"Pokazując, że czarna dziura może ciągnąć czasoprzestrzeń, tworząc ów efekt frame-dragging (efekt Lense'a-Thirringa - przyp. red.), zaczynamy też rozumieć mechanikę tego procesu. Zatem w taki sam sposób, w jaki naładowany obiekt wytwarza pole magnetyczne podczas obracania się, widzimy, jak masywny wirujący obiekt - w tym przypadku czarna dziura - generuje pole grawitomagnetyczne, które wpływa na ruch gwiazd i innych obiektów kosmicznych w pobliżu" - wyjaśnia dr Cosimo Inserra z Cardiff University, jeden z autorów badania.
Jak tłumaczy ekspert, ta obserwacja jest "prawdziwym prezentem dla fizyków", bowiem potwierdza empirycznie przewidywania poczynione ponad wiek temu.
Źródło: Yanan Wang et al., Detection of disk-jet coprecession in a tidal disruption event. Sci. Adv. 11, eady9068 (2025). DOI: 10.1126/sciadv.ady9068
