Einstein miał rację. Po raz pierwszy zaobserwowano, że materia wpada do czarnej dziury „jak rzeka do wodospadu”

W tym artykule:

1. Co to jest dysk akrecyjny?
2. Granica dysku akrecyjnego
3. Sekrety czarnych dziur

Pierwszy raz czarną dziurę zobaczyliśmy w 2019 r. Wówczas naukowcy zaprezentowali historyczną fotografię supermasywnej czarnej dziury w centrum galaktyki M87. Dwa lata temu mogliśmy zaś przyjrzeć się Sagittariusowi A*, „naszej” czarnej dziurze – obiektowi tego typu znajdującemu się w środku Drogi Mlecznej.

Fotografie te – a także tegoroczne zdjęcie Sagittariusa A*, rejestrujące światło spolaryzowane – mają ważną wspólną cechę. Otóż tak naprawdę czarnej dziury na nich nie widać. Te obiekty są niewidoczne ze swej natury. Mają tak dużą masę, że przyciągają wszystko, co znajduje się w ich pobliżu, nawet światło. Pomarańczowe pierścienie na zdjęciach to wirująca wokół czarnej dziury materia.

Naukowcy przyjrzeli się właśnie jej wewnętrznej granicy, znajdującej się tuż nad tzw. horyzontem zdarzeń. I po raz pierwszy dostrzegli region przewidywany przez teorię Alberta Einsteina. To „strefa nurkowania” (ang. plunging region): obszar, w którym materia przestaje wirować wokół czarnej dziury i opada prosto na nią.

Co to jest dysk akrecyjny?

Wirująca materia krąży nie tylko wokół czarnych dziur. Tzw. dyski akrecyjne pojawiają się także wokół gwiazd neutronowych, kwazarów albo np. białych karłów. Wszystkie są źródłem promieniowania elektromagnetycznego, jednak w różnym zakresie. Dyski akrecyjne kwazarów emitują światło młodych gwiazd – podczerwień, zaś czarnych dziur i gwiazd neutronowych – promieniowanie rentgenowskie.

Andrew Mummery z Oksfordu wraz z zespołem użył kosmicznego teleskopu Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTART), rejestrującego właśnie światło w zakresie rentgenowskim. Urządzenie posłużyło do obserwacji układu podwójnego MAXI J1820+070, oddalonego od Ziemi o 10 tys. lat świetlnych. Jednym z jego składników jest czarna dziura o masie 8,5 mas Słońca. Układ jest źródłem mocnych rozbłysków, co sprawia, że przykuwa uwagę astronomów (badali go również polscy naukowcy z CAMK PAN).

Granica dysku akrecyjnego

Naukowcy z Oksfordu opracowali modele opisujące promieniowanie elektromagnetyczne docierające do nas z dysku akrecyjnego czarnej dziury. Jak się okazało, zgadzają się one z danymi z NuSTAR wtedy, kiedy oprócz światła emitowanego przez wirujący dysk uwzględni się również światło wysyłane przez materię znajdującą się w „strefie nurkowania”.

Wszystko, co trafi do tego rejonu, przestaje okrążać czarną dziurę. Spada na nią, szybko zbliżając się do prędkości światła. – To jak rzeka zamieniająca się w wodospad. Jednak dotychczas obserwowaliśmy tylko rzekę – powiedział „New Scientistowi” Andrew Mummery. – Gdyby Einstein się mylił, widzielibyśmy na całej długości rzekę – dodaje badacz.

Udało się zarejestrować światło otaczające jedne z najstarszych kwazarów. Odsłoniło ono sekret czarnych dziur

– Zaobserwowane przez nas czarne dziury z czasów, gdy Wszechświat był wciąż w powijakach, są miliardy razy masywniejsze od Słońca – twierdzą naukowcy z Massachusetts Institute of Techn...

Sekrety czarnych dziur

Jednak wodospad również istnieje i ma wpływ na ilość promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez czarną dziurę. To pewne zaskoczenie dla naukowców. Dotychczas przypuszczali, że gdy materia przekracza wewnętrzną granicę dysku akrecyjnego i leci w kierunku horyzontu zdarzeń, jest już zbyt mało czasu, by jeszcze „zdążyła” wysyłać jakiekolwiek promieniowanie.

Odkrycie wyjaśnia jeden z fenomenów związanych z czarnymi dziurami. Obserwacje wykazywały, że obracają się one nieco szybciej niż wynika z teorii. A ponieważ blask jest związany z obrotami, obserwacje dodatkowego światła ze „strefy zanurzenia” sprawiają, że teoria zaczyna zgadzać się z danymi.

Naukowcy planują dalsze badania tego fascynującego rejonu i warunków, które tam panują. – Technicznie rzecz biorąc, gdyby materia miała rakietę, mogłaby uciec ze „strefy nurkowania” – mówi Mummery. – Jednak jest skazana na zagładę: jej orbita staje się niestabilna i szybko przyspiesza do prędkości światła. Ma taką samą szansę na powrót jak woda spływająca do wodospadu – dodaje naukowiec. Czyli w praktyce żadną.

Źródło: New Scientist, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Astronomy&Astrophysics.

Nasz ekspert

Magdalena Salik

Dziennikarka naukowa i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Pasjami czyta i pisze, miłośniczka literatury popularnonaukowej i komputerowych gier RPG. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com