Wydawało się, że czarne dziury występują tylko w rozmiarach małych i XXL. Nowa strategia poszukiwań odkryła czarną dziurę o "średniej" masie, dając nadzieję na więcej odkryć w przyszłości.
W sercu prawie każdej dużej galaktyki znajduje się obiekt o ogromnych rozmiarach - supermasywna czarna dziura. Te tytany, nawet miliardy razy masywniejsze od naszego Słońca, napędzają ewolucję zamieszkiwanych przez siebie galaktyk.
Astronomowie nie potrafią jednak ustalić, w jaki sposób stały się one tak duże. Wydaje się, że niektóre z nich uformowały się już 600 milionów lat po Wielkim Wybuchu, kiedy Wszechświat miał zaledwie 4% swojego obecnego wieku. Z naszego rozumienia procesu powstawania czarnych dziur wynika, że jest to niemożliwe. "Po prostu nie ma wystarczająco dużo czasu, aby tak masywna czarna dziura powstała na tak wczesnym etapie istnienia wszechświata bez czegoś, co mogłoby zapoczątkować ich wzrost" - powiedział Łukasz Wyrzykowski, astronom z Uniwersytetu Warszawskiego.
Uważa się, że tymi "nasionami" są pośrednie czarne dziury - olbrzymie czarne dziury, które mieszczą się w luce masowej pomiędzy czarnymi dziurami o masie gwiazdowej, powstałymi z martwych gwiazd, a supermasywnymi czarnymi dziurami. Pośrednie czarne dziury powinny ważyć od 100 do 100 000 mas Słońca i uważa się, że odpowiadają one za kluczowy etap w rozwoju potworów w centrach galaktyk.
Głównym problemem jest ich zlokalizowanie. "Czarne dziury niczego nie emitują" - powiedział Daniel Holz, astrofizyk z Uniwersytetu w Chicago. "Są więc bardzo trudne do znalezienia".
Astronomowie zidentyfikowali już kilku potencjalnych kandydatów na średnio masywne czarne dziury. W zeszłym roku za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble'a udało im się uchwycić czarną dziurę o masie 50 000 mas Słońca, która pożera gwiazdę; inny kandydat o masie 20 000 mas Słońca, HLX-1, może robić to samo.
Teraz naukowcy twierdzą, że użyli zupełnie nowej metody, aby znaleźć czarną dziurę o masie do 55 000 mas Słońca. Odkrycie to, opublikowane dziś w Nature Astronomy, wprowadza strategię poszukiwań, która ma potencjał znalezienia wielu innych kandydatów w przyszłości.
Badaniami kierował James Paynter, doktorant na Uniwersytecie w Melbourne. W 2018 r. promotor Payntera i współautorka pracy, Rachel Webster, poprosiła go o przejrzenie zbioru danych około 2700 wybuchów promieniowania gamma - jasnych eksplozji energii, o których sądzi się, że pochodzą z łączących się gwiazd neutronowych lub gigantycznych supernowych - zebranych przez należące do NASA Compton Gamma Ray Observatory w latach 1991-2000.
Poszukiwał on przypadków, w których dwa niemal identyczne wybuchy promieniowania gamma pojawiały się w krótkim odstępie czasu. Podwójny błysk może wskazywać, że rozbłysk gamma był "soczewkowany" przez jakiś obiekt znajdujący się pomiędzy nim a nami - masywny obiekt, który zagina światło eksplozji w drodze na Ziemię. Masywny obiekt, być może, jak średnio masywna czarna dziura.
W całym zbiorze danych obejmującym 2700 wybuchów promieniowania gamma, zautomatyzowane oprogramowanie Payntera oznaczyło tylko jedno takie zdarzenie. W 1995 roku Compton zobaczył błysk pochodzący od przypuszczalnego wybuchu promieniowania gamma, który wybuchł, gdy Wszechświat miał około 3 miliardów lat. Pół sekundy później zaobserwowano niemal identyczny wybuch.
Zespół doszedł do wniosku, że pomiędzy nami a błyskiem gamma znajduje się czarna dziura o średniej masie. Wybuch promieniowania gamma był nieco odsunięty od centrum czarnej dziury, więc jego światło obrało dwie ścieżki, jedną nieco dłuższą od drugiej. "Soczewkowanie wpływa na ścieżkę dla dwóch fotonów biegnących wokół przeciwnych końców" - powiedział współautor Eric Thrane, astrofizyk z Monash University. "To jest właśnie czas opóźnienia".
Nie wszyscy są przekonani. Jednym z problemów, powiedział Natalie Webb, astrofizyk z Research Institute in Astrophysics and Planetology we Francji, jest to, że nie wiemy, ile jest we wszechświecie czarnych dziur o średniej masie. Jakie musielibyśmy mieć szczęście, aby nasza planeta znalazła się w idealnym położeniu z jedną z takich czarnych dziur i doszło do wybuchu promieniowania gamma? "Niektórzy przewidują ich ogromną ilość, 1000 na galaktykę, w którym to przypadku tego typu rzeczy byłyby całkiem prawdopodobne," powiedział Webb. "Jeśli nie mielibyście tak dużej populacji, to tak, byłoby to mniej prawdopodobne".
Inną kwestią jest to, że nie wiemy wystarczająco dużo o wybuchach promieniowania gamma - być może po prostu naturalnie powtarzają się w ten sposób. "Wszystkie są tak różne i dziwne," powiedział Holz. "Prawdziwe pytanie brzmi tutaj: Czy to może być po prostu podwójny wybuch promieniowania gamma?". Soczewkowanie mogło być również spowodowane przez gromadę kulistą - duży zbiór starych gwiazd - ale zespół uważa, że jest to mało prawdopodobne, ponieważ gromady kuliste są być może 100 razy mniej powszechne niż średnio-masywne czarne dziury. "Szanse na znalezienie jednej we właściwym miejscu są nieprawdopodobne" - powiedział Thrane.
Ta konkretna detekcja miała miejsce ponad dwie dekady temu, więc prawdopodobnie nigdy nie będziemy tego pewni. Bardziej ekscytującą perspektywą jest to, że ta metoda - szukanie średnio-masywnych czarnych dziur, które działają jak soczewki - może być sposobem na dokonanie wielu innych odkryć w przyszłości. "Zidentyfikowanie populacji średnio masywnych czarnych dziur w ten sposób, poprzez soczewkowanie, byłoby fascynujące" - powiedział Holz. Wyrzykowski wykorzystuje dane z teleskopu Gaia do poszukiwania średnio-masywnych czarnych dziur, które uginają światło gwiazd - nie wybuchów promieniowania gamma - choć jak dotąd nie miał szczęścia.
Czarne dziury o średniej masie nie tylko dałyby nam kluczowy materiał do wyjaśnienia wzrostu supermasywnych czarnych dziur, ale także mogłyby dostarczyć dowodów na istnienie innej kosmicznej tajemnicy - ciemnej materii. Uważa się, że stanowi ona 85% masy Wszechświata. Ciemna materia mogła być istotnym składnikiem, który napędzał wzrost średnio masywnych czarnych dziur. "Bardzo trudno jest wytworzyć taką czarną dziurę za pomocą zwykłej materii," powiedział Wyrzykowski.
Astronomowie nie potrafią jednak ustalić, w jaki sposób stały się one tak duże. Wydaje się, że niektóre z nich uformowały się już 600 milionów lat po Wielkim Wybuchu, kiedy Wszechświat miał zaledwie 4% swojego obecnego wieku. Z naszego rozumienia procesu powstawania czarnych dziur wynika, że jest to niemożliwe. "Po prostu nie ma wystarczająco dużo czasu, aby tak masywna czarna dziura powstała na tak wczesnym etapie istnienia wszechświata bez czegoś, co mogłoby zapoczątkować ich wzrost" - powiedział Łukasz Wyrzykowski, astronom z Uniwersytetu Warszawskiego.
Uważa się, że tymi "nasionami" są pośrednie czarne dziury - olbrzymie czarne dziury, które mieszczą się w luce masowej pomiędzy czarnymi dziurami o masie gwiazdowej, powstałymi z martwych gwiazd, a supermasywnymi czarnymi dziurami. Pośrednie czarne dziury powinny ważyć od 100 do 100 000 mas Słońca i uważa się, że odpowiadają one za kluczowy etap w rozwoju potworów w centrach galaktyk.
Głównym problemem jest ich zlokalizowanie. "Czarne dziury niczego nie emitują" - powiedział Daniel Holz, astrofizyk z Uniwersytetu w Chicago. "Są więc bardzo trudne do znalezienia".
Astronomowie zidentyfikowali już kilku potencjalnych kandydatów na średnio masywne czarne dziury. W zeszłym roku za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble'a udało im się uchwycić czarną dziurę o masie 50 000 mas Słońca, która pożera gwiazdę; inny kandydat o masie 20 000 mas Słońca, HLX-1, może robić to samo.
Teraz naukowcy twierdzą, że użyli zupełnie nowej metody, aby znaleźć czarną dziurę o masie do 55 000 mas Słońca. Odkrycie to, opublikowane dziś w Nature Astronomy, wprowadza strategię poszukiwań, która ma potencjał znalezienia wielu innych kandydatów w przyszłości.
Badaniami kierował James Paynter, doktorant na Uniwersytecie w Melbourne. W 2018 r. promotor Payntera i współautorka pracy, Rachel Webster, poprosiła go o przejrzenie zbioru danych około 2700 wybuchów promieniowania gamma - jasnych eksplozji energii, o których sądzi się, że pochodzą z łączących się gwiazd neutronowych lub gigantycznych supernowych - zebranych przez należące do NASA Compton Gamma Ray Observatory w latach 1991-2000.
Poszukiwał on przypadków, w których dwa niemal identyczne wybuchy promieniowania gamma pojawiały się w krótkim odstępie czasu. Podwójny błysk może wskazywać, że rozbłysk gamma był "soczewkowany" przez jakiś obiekt znajdujący się pomiędzy nim a nami - masywny obiekt, który zagina światło eksplozji w drodze na Ziemię. Masywny obiekt, być może, jak średnio masywna czarna dziura.
W całym zbiorze danych obejmującym 2700 wybuchów promieniowania gamma, zautomatyzowane oprogramowanie Payntera oznaczyło tylko jedno takie zdarzenie. W 1995 roku Compton zobaczył błysk pochodzący od przypuszczalnego wybuchu promieniowania gamma, który wybuchł, gdy Wszechświat miał około 3 miliardów lat. Pół sekundy później zaobserwowano niemal identyczny wybuch.
Zespół doszedł do wniosku, że pomiędzy nami a błyskiem gamma znajduje się czarna dziura o średniej masie. Wybuch promieniowania gamma był nieco odsunięty od centrum czarnej dziury, więc jego światło obrało dwie ścieżki, jedną nieco dłuższą od drugiej. "Soczewkowanie wpływa na ścieżkę dla dwóch fotonów biegnących wokół przeciwnych końców" - powiedział współautor Eric Thrane, astrofizyk z Monash University. "To jest właśnie czas opóźnienia".
Nie wszyscy są przekonani. Jednym z problemów, powiedział Natalie Webb, astrofizyk z Research Institute in Astrophysics and Planetology we Francji, jest to, że nie wiemy, ile jest we wszechświecie czarnych dziur o średniej masie. Jakie musielibyśmy mieć szczęście, aby nasza planeta znalazła się w idealnym położeniu z jedną z takich czarnych dziur i doszło do wybuchu promieniowania gamma? "Niektórzy przewidują ich ogromną ilość, 1000 na galaktykę, w którym to przypadku tego typu rzeczy byłyby całkiem prawdopodobne," powiedział Webb. "Jeśli nie mielibyście tak dużej populacji, to tak, byłoby to mniej prawdopodobne".
Inną kwestią jest to, że nie wiemy wystarczająco dużo o wybuchach promieniowania gamma - być może po prostu naturalnie powtarzają się w ten sposób. "Wszystkie są tak różne i dziwne," powiedział Holz. "Prawdziwe pytanie brzmi tutaj: Czy to może być po prostu podwójny wybuch promieniowania gamma?". Soczewkowanie mogło być również spowodowane przez gromadę kulistą - duży zbiór starych gwiazd - ale zespół uważa, że jest to mało prawdopodobne, ponieważ gromady kuliste są być może 100 razy mniej powszechne niż średnio-masywne czarne dziury. "Szanse na znalezienie jednej we właściwym miejscu są nieprawdopodobne" - powiedział Thrane.
Ta konkretna detekcja miała miejsce ponad dwie dekady temu, więc prawdopodobnie nigdy nie będziemy tego pewni. Bardziej ekscytującą perspektywą jest to, że ta metoda - szukanie średnio-masywnych czarnych dziur, które działają jak soczewki - może być sposobem na dokonanie wielu innych odkryć w przyszłości. "Zidentyfikowanie populacji średnio masywnych czarnych dziur w ten sposób, poprzez soczewkowanie, byłoby fascynujące" - powiedział Holz. Wyrzykowski wykorzystuje dane z teleskopu Gaia do poszukiwania średnio-masywnych czarnych dziur, które uginają światło gwiazd - nie wybuchów promieniowania gamma - choć jak dotąd nie miał szczęścia.
Czarne dziury o średniej masie nie tylko dałyby nam kluczowy materiał do wyjaśnienia wzrostu supermasywnych czarnych dziur, ale także mogłyby dostarczyć dowodów na istnienie innej kosmicznej tajemnicy - ciemnej materii. Uważa się, że stanowi ona 85% masy Wszechświata. Ciemna materia mogła być istotnym składnikiem, który napędzał wzrost średnio masywnych czarnych dziur. "Bardzo trudno jest wytworzyć taką czarną dziurę za pomocą zwykłej materii," powiedział Wyrzykowski.
"Trzeba połączyć wiele gwiazd, a we [wczesnym] wszechświecie nie ma na to wystarczająco dużo czasu".
Oczekuje się, że nadchodzące teleskopy pomogą w tym polowaniu. Paynter powiedział, że liczące dziesiątki lat dane Comptona zostały już wyczerpane, ale wciąż istnieje około 7000 innych wybuchów promieniowania gamma z innych teleskopów, które należy przesiać, a należący do NASA Fermi Gamma-ray Space Telescope wciąż dokonuje detekcji.
"Teraz nadszedł czas, aby przeanalizować pozostałe zestawy danych i sprawdzić, czy jest więcej kandydatów do soczewkowania".
Niezależnie od tego, czy stanie się to za pomocą tej, czy innej metody, wielu ma nadzieję, że zagadka brakujących średnio-masywnych czarnych dziur - a wraz z nią wzrostu supermasywnych czarnych dziur - może zostać wkrótce rozwiązana. "Wszyscy wierzą, że one tam są" - powiedział Thrane.
"Muszą istnieć w pewnym momencie we wszechświecie. To tylko kwestia znalezienia miejsca, w którym się znajdują".
Badanie: nature.com
Źródło: quantamagazine.org
