Zmarszczki czarnej dziury mogą pomóc ustalić ekspansję Wszechświata
Echa światła pochodzącego ze strumieni z czarnych dziur mogą stanowić metodę określania odległości do tych obiektów.
Schemat procesu odbicia w czarnej dziurze Cygnus X-1. Źródło: Patrick O’Neill. Zdjęcie tła: NASA/JPL-Caltech
Echa światła, które wydobywają się ze strumieni emitowanych przez czarne dziury, stanowią nowatorską metodę określania odległości do tych egzotycznych obiektów oraz badania dużej mierze niezbadanej populacji znajdującej się w centrum Galaktyki. Ponadto, ta technika może przyczynić się do lepszego zrozumienia tempa ekspansji Wszechświata. Zespół naukowców z University of Newcastle, na czele z badaczem i członkiem tego zespołu, Patrickiem O'Neillem, przedstawił swoje odkrycie na konferencji National Astronomy Meeting w Cardiff. Ich prace skupiły się na archetypowej czarnej dziurze Cygnus X-1.
Większość czarnych dziur to zwarte pozostałości gwiazd, które zakończyły swoje życie w spektakularnej eksplozji supernowej. Charakteryzują się one niezwykle silnym polem grawitacyjnym, które nawet światłu uniemożliwia ucieczkę, co właśnie przyczynia się do ich nazwania „czarnymi”. Mimo tego z pozoru niewidocznego charakteru, ich wpływ na otoczenie jest wyjątkowo wyraźny. Otacza je dysk, w którym skoncentrowana jest materia krążąca wokół czarnej dziury, nagrzewając się do bardzo wysokich temperatur. Taka gorąca materia stanowi źródło intensywnego promieniowania rentgenowskiego. Ponadto, wiele z tych czarnych dziur jest związanych z potężnymi strumieniami, które wyrzucają gaz i pył na olbrzymie odległości w przestrzeń kosmiczną.
Odległość do większości czarnych dziur jest obliczana w oparciu o ich jasność rentgenowską oraz pomiary związane z ich masą, które można wywnioskować na podstawie szybkości poruszającej się materii wokół nich. Jednak O’Neill i pozostali członkowie zespołu przyjęli zupełnie odmienne podejście.
Światło emitowane przez strumienie czarnej dziury jest rozprzestrzeniane we wszystkich kierunkach, co pozwala mu dotrzeć do dysku. Podobnie jak w przypadku lustra, dysk odbija pewną część docierającego światła. Począwszy od najbardziej wewnętrznej części dysku, odbite światło faluje na zewnątrz, ponieważ światło emitowane przez strumień potrzebuje więcej czasu, aby dotrzeć do zewnętrznych części dysku. Ten efekt, znany jako „pogłos” światła, przypomina echo dźwięku.
Oznacza to, że obserwujemy światło płynące z tego strumienia na dwa różne sposoby: pochodzące bezpośrednio od niego oraz odbite od dysku. Dzięki jednoczesnemu monitorowaniu jasności obu tych rodzajów światła, możemy wnioskować o odległości strumienia od nas. To pozwala astronomom określić także, jak blisko wewnętrznej granicy dysku znajduje się czarna dziura. Kiedy zbliżamy się do pola grawitacyjnego czarnej dziury, kształt dysku ulega zaburzeniu.
Monitorując światło emitowane przez strumień czarnej dziury i dysk otaczający ją, zespół jest w stanie obliczyć rozmiar dysku oraz ułamek światła, które zostaje odbite. Ta precyzyjna analiza pozwala na bezwzględny pomiar jasności dysku oraz dokładnie określa odległość pomiędzy czarną dziurą a dyskiem.
Gęste obłoki gazu i pyłu często stanowią barierę dla światła podczerwonego, widzialnego i UV emitowanego z centrów galaktyk, w tym naszej, co ogranicza nasze obserwacje. W przeciwieństwie do tego, promieniowanie rentgenowskie może swobodnie przenikać przez te obszary, co otwiera możliwość pomiaru odległości do supermasywnych czarnych dziur. Jeśli uda się to osiągnąć, będziemy mieć nową metodę określenia tempa ekspansji Wszechświata, które pozostaje nierozstrzygnięte nawet po 94 latach od odkrycia samej ekspansji.
Jest to także potężne narzędzie do badania populacji czarnych dziur w centrum Galaktyki. Do tej pory astronomowie głównie skupiali się na obserwowaniu czarnych dziur, które charakteryzowały się stosunkowo niską masą i znajdowały się daleko od płaszczyzny Galaktyki, gdzie większość gwiazd się znajduje (nasza Galaktyka ma spiralne ramiona w płaskim dysku, rozciągające się z centralnej poprzeczki).
Czasami czarna dziura i masywna gwiazda krążą wokół siebie w układzie podwójnym. W przypadku, gdy masywna gwiazda eksploduje jako supernowa, może to spowodować wyrzucenie czarnej dziury poza płaszczyznę galaktyki. Przy większej masie czarnej dziury, jej przyspieszenie jest mniejsze, co skutkuje tym, że cięższe czarne dziury znajdują się bliżej płaszczyzny galaktyki oraz w jej centrum.
O’Neill powiedział: Często skupiamy się na badaniu odległych galaktyk, aby pozyskać informacje na temat Drogi Mlecznej. Ta zaawansowana technika pozwala na sondowanie wcześniej niedostępnych obszarów centrum naszej Galaktyki oraz zrozumienie sposobu, w jaki czarne dziury gromadzą materię. Co równie ekscytujące, możemy również wspomóc ustalenie tempa rozszerzania się Wszechświata, co pozwoli nam lepiej zrozumieć jego przyszłość.
Zespół chce stworzyć obraz populacji czarnych dziur w centrum Galaktyki. Mogłoby to pomóc w znalezieniu obiektów takich jak czarne dziury o masie pośredniej, obiektów powstałych w wyniku połączenia się gwiazdowych czarnych dziur, a także zrobić krok na drodze do uformowania supermasywnych czarnych dziur o olbrzymich rozmiarach, które znajdują się w centrum większości galaktyk.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
