Zupełnie nowy rodzaj czarnych dziur

Zdumiewająco duże czarne dziury (SLAB, ang. Stupendously LArge Black holes) to obiekty o masie 100 mld razy większej od masy Słońca. 

- Wiemy już, że czarne dziury istnieją w szerokim zakresie mas, a supermasywna czarna dziura o masie 4 mln mas Słońca znajduje się w centrum naszej galaktyki. Podczas gdy nie ma obecnie dowodów na istnienie SLAB-ów, można sobie wyobrazić ich istnienie - mogą one występować poza galaktykami w przestrzeni międzygalaktycznej, z interesującymi konsekwencjami obserwacyjnymi - powiedział Bernard Carr z Queen Mary University w Londynie.

Czarne dziury mają tylko kilka kategorii masowych. Istnieją czarne dziury o masie gwiazdowej; są to czarne dziury o masie zbliżonej do masy gwiazdy, do około 100 mas Słońca. Następną kategorią są czarne dziury pośredniej masy - ich szacowana masa jest źródłem licznych sporów w astronomii. Niektórzy uczeni twierdzą, że mają one masę 1000 razy większą od masy Słońca, inni, że 100 000 razy większą, a jeszcze inni, że nawet milion razy większą masę. Niezależnie od górnej granicy, wydają się być dość rzadkie.

Supermasywne czarne dziury są o wiele, wiele większe, rzędu milionów do miliardów mas Słońca. Należy do nich m.on. obiekt w sercu Drogi Mlecznej - Sagittarius A* - o masie 4 mln mas Słońca, a także najbardziej fotogeniczna czarna dziura we Wszechświecie - M87* - o masie 6,5 mld mas Słońca.

Największe czarne dziury, jakie udało nam się wykryć, to ultramasywne czarne dziury, o masie ponad 10 mld (ale mniej niż 100 miliardów) mas Słońca. Wśród nich znajduje się absolutna bestia o masie 40 mld mas Słońca w centrum galaktyki o nazwie Holmberg 15A. Prawdopodobnie jednak we Wszechświecie istnieją obiekty jeszcze masywniejsze.

- Idea SLAB-ów była do tej pory w dużej mierze zaniedbywana. Zaproponowaliśmy opcje dotyczące tego, jak te SLAB-y mogą się formować i mamy nadzieję, że nasza praca zacznie motywować do dyskusji wśród społeczności - dodał Carr.

Rzecz w tym, że naukowcy nie do końca wiedzą, jak tworzą się i rosną naprawdę duże czarne dziury. Jedną z możliwości jest to, że powstają one w galaktyce macierzystej, a następnie rozrastają się poprzez pochłanianie całej masy gwiazd, gazu i pyłu oraz kolizje z innymi czarnymi dziurami.

Model ten ma górną granicę wynoszącą około 50 mld mas Słońca - jest to granica, przy której ogromna masa obiektu wymagałaby dysku akrecyjnego tak masywnego, że uległby on fragmentacji pod wpływem własnej grawitacji. Ale jest też poważny problem - znaleziono stare supermasywne czarne dziury o masach zbyt dużych, aby mogły urosnąć w tak krótkim czasie od Wielkiego Wybuchu.

Inną możliwością jest coś, co nazwano pierwotnymi czarnymi dziurami, a co po raz pierwszy zaproponowano w 1966 r. Teoria ta głosi, że zmienna gęstość wczesnego Wszechświata mogła wytworzyć kieszenie tak gęste, że zapadły się one w czarne dziury. Nie podlegałyby one ograniczeniom rozmiaru czarnych dziur powstałych w wyniku zapadania się gwiazd i mogłyby być ekstremalnie małe lub zdumiewająco duże.

Te ekstremalnie małe, jeśli kiedykolwiek istniały, prawdopodobnie już dawno wyparowałyby z powodu promieniowania Hawkinga, ale te znacznie większe mogły przetrwać. W oparciu o model pierwotnych czarnych dziur, zespół obliczył dokładnie jak wielkie mogą być te obiekty - między 100 mld a 1 kwintylionem (jedynka i 18 zer) mas Słońca.

Celem badania było rozważenie wpływu takich czarnych dziur na przestrzeń wokół nich. Możemy nie być w stanie zobaczyć SLAB-ów bezpośrednio - czarne dziury, które nie akreują materii są niewidoczne, ponieważ światło nie może uciec ich grawitacji - ale masywne niewidoczne obiekty wciąż mogą być wykryte w oparciu o sposób, w jaki zachowuje się przestrzeń wokół nich.

Grawitacja zakrzywia czasoprzestrzeń, co powoduje, że światło podróżujące przez te regiony również podąża zakrzywioną trajektorią - nazywa się to soczewką grawitacyjną. Efekt ten można wykorzystać do wykrywania egzoplanet, ale także SLAB-ów w przestrzeni międzygalaktycznej.