Ważenie czarnych dziur czających się w sercach galaktyk
W sercach większości dużych galaktyk znajdują się supermasywne czarne dziury. Naukowcy sądzą, że niektóre z nich mogą być naprawdę ogromne.
Obraz Sagittarius A* uzyskany przy użyciu Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (EHT). Źródło: Współpraca EHT
W pobliżu centrum Drogi Mlecznej znajduje się olbrzymi obiekt, który astronomowie nazywają Sagittarius A*. Ta supermasywna czarna dziura mogła urosnąć w tandemie z naszą Galaktyką i nie jest sama. Naukowcy podejrzewają, że podobne behemoty czają się w sercu niemal wszystkich dużych galaktyk w kosmosie.
Niektóre z nich mogą być naprawdę duże, powiedział Joseph Simon, dr hab. na Wydziale Nauk Astrofizycznych i Planetarnych CU Boulder.
Czarna dziura w centrum naszej Galaktyki ma masę milion razy większą od Słońca, ale widzimy też inne, które naszym zdaniem mają masę miliardy razy większą od Słońca – powiedział.
Astrofizyk poświęcił swoją karierę badaniu zachowań tych trudnych do zaobserwowania obiektów. W niedawnym badaniu wykorzystał symulacje komputerowe do przewidywania mas największych supermasywnych czarnych dziur we Wszechświecie – koncepcja matematyczna znana jako funkcja masy czarnej dziury.
Innymi słowy, Simon starał się ustalić, co można by znaleźć, gdyby można było umieścić każdą z tych czarnych dziur jedna po drugiej w olbrzymiej skali?
Jego obliczenia wskazują na możliwość, że miliardy lat temu czarne dziury mogły być średnio znacznie większe niż naukowcy kiedyś podejrzewali. Odkrycia te mogą pomóc naukowcom rozwikłać jeszcze większą tajemnicę, wyjaśniając siły, które kształtowały obiekty takie jak Sagittarius A*, gdy wyrosły z małych czarnych dziur w giganty, którymi są dzisiaj.
Na podstawie wielu różnych źródeł zaczynamy dostrzegać, że we Wszechświecie istniały dość masywne rzeczy od bardzo wczesnych lat – powiedział Simon.
Swoje odkrycia opublikował 30 maja 2023 roku w czasopiśmie The Astrophysical Journal Letters.
Galaktyczna symfonia
Dla Simona te dość masywne rzeczy to chleb powszedni.
Astrofizyk uczestniczy w drugim projekcie badawczym o nazwie North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav). W ramach tego projektu Simon oraz setki innych naukowców z USA i Kanady poświęcili 15 lat na badanie zjawiska znanego jako „tło fal grawitacyjnych”. Koncept ten odnosi się do nieustannego przepływu fal grawitacyjnych, które falują w kosmosie prawie nieprzerwanie.
To kosmiczne zaburzenie ma także swoje źródło w supermasywnych czarnych dziurach. Gdy dwie galaktyki zderzają się w przestrzeni kosmicznej, ich centralne czarne dziury mogą również zderzyć się i połączyć. Krążą one wokół siebie, a następnie zderzają, generując fale grawitacyjne, które dosłownie zakrzywiają strukturę Wszechświata.
Aby zrozumieć tło fal grawitacyjnych, naukowcy muszą jednak najpierw wiedzieć, jak masywne są supermasywne czarne dziury. Jak powiedział Simon, większe czarne dziury powodują większy huk i wytwarzają znacznie większe fale grawitacyjne.
Jest tylko jeden problem: Mamy naprawdę dobre pomiary mas supermasywnych czarnych dziur dla naszej Galaktyki i galaktyk znajdujących się w jej pobliżu – powiedział. Nie mamy takich samych pomiarów dla galaktyk znajdujących się dalej. Musimy tylko zgadywać.
W swoich nowych badaniach Simon postanowił zgadywać w zupełnie nowy sposób.
Najpierw zgromadził informacje dotyczące setek tysięcy galaktyk, w tym niektórych o wieku sięgającym miliardów lat. Następnie wykorzystał te dane do oszacowania przybliżonej masy czarnych dziur występujących w największych galaktykach obecnych we Wszechświecie. Kolejnym krokiem było skorzystanie z zaawansowanych modeli komputerowych do symulacji tła fal grawitacyjnych generowanych przez te galaktyki, które obecnie docierają również do Ziemi.
Wyniki osiągnięte przez Simona wyjawiają pełen asortyment supermasywnych czarnych dziur we Wszechświecie sprzed około 4 miliardów lat. Jednakże, Simon dostrzegł także coś niezwykłego: wydawało się, że miliardy lat temu było o wiele więcej dużych galaktyk we Wszechświecie, niż sugerowały niektóre wcześniejsze badania. Ta obserwacja nie miała większego sensu.
Oczekiwano, że te naprawdę masywne układy będzie można zobaczyć tylko w pobliskim Wszechświecie – powiedział Simon. Wzrost czarnych dziur wymaga czasu.
Jednak jego badania uzupełniają rosnącą liczbę dowodów sugerujących, że mogą one nie potrzebować tak dużo czasu, jak kiedyś sądzili astrofizycy. Na przykład zespół NANOGrav zaobserwował podobne wskazówki dotyczące olbrzymich czarnych dziur ukrywających się we Wszechświecie miliardy lat temu.
Na razie Simon ma nadzieję na zbadania pełnego zakresu czarnych dziur sięgającego jeszcze dalej w czasie – odkrywając wskazówki dotyczące tego, jak powstała Galaktyka Drogi Mlecznej, a ostatecznie nasz własny Układ Słoneczny.
Zrozumienie masy czarnych dziur ma kluczowe znaczenie dla niektórych z tych fundamentalnych pytań, ale także dla zrozumienia tego, jak rosną galaktyki i jak ewoluował nasz Wszechświat – powiedział Simon.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
.jpg)
