Z jaką prędkością obraca się czarna dziura? Udało się to oszacować, a odpowiedź jest zaskakująca

W tym artykule:

1. Mordercze czarne dziury
2. Co się dzieje z resztkami rozerwanej gwiazdy?
3. Chwiejący się dysk akrecyjny
4. Z jaką prędkością obraca się czarna dziura?

Znalezienie odpowiedniego obiektu do badań czasami zajmuje więcej czasu niż same badania. W przypadku próby oszacowania prędkości wirowania czarnej dziury naukowcy aż pięć lat szukali właściwej kandydatki. Ostatecznie wypatrzyli ją w galaktyce odległej od Ziemi o miliard lat świetlnych.

Dlaczego trwało to aż tyle? Ostatecznie najbliższa supermasywna czarna dziura – Sagittarius A* – znajduje się w centrum Drogi Mlecznej. Dzieli ją od nas „zaledwie” 26 tys. lat świetlnych. Jednak Sagittarius A* nie spełniała kluczowego założenia badawczego. Było nim znalezienie czarnej dziury tuż po tym, jak popełniła „gwiezdne morderstwo”. Czyli zaraz po tym, jak jej potężne siły grawitacji rozerwały przelatującą w pobliżu gwiazdę.

Mordercze czarne dziury

Wyobraźmy sobie, że w pobliżu supermasywnej czarnej dziury pojawia się gwiazda. Gigantyczna grawitacja czarnej dziury zacznie ją przyciągać. Siły pływowe spowodują zaś, że gwiazda ulegnie rozciąganiu. To zjawisko nazywa się spagetyzacją albo efektem makaronu.

W końcu gwiazda zostanie rozerwana. Tego typu zdarzenie astronomowie nazwali rozerwaniem pływowym (ang. Tidal Disruption Event, TDE). Jest ono bardzo rzadkie. Dla każdej galaktyki z supermasywną czarną dziurą w centrum do rozerwania przypadkowo „złapanej” gwiazdy dochodzi tylko kilka razy na 100 tys. lat.

Co się dzieje z resztkami rozerwanej gwiazdy?

Dla wyliczenia szybkości wirowania czarnej dziury kluczowe jest to, co dzieje się z resztkami gwiazdy po zmiażdżeniu w grawitacyjnym imadle. Na skutek rozerwania pływowego w pobliżu czarnej dziury pojawia się gigantyczny obłok materii. Jej część zostaje wyrzucona w przestrzeń kosmiczną. Jednak reszta zostaje przeciągnięta przez czarną dziurę i formuje obracający się wokół niej dysk akrecyjny.

Te same siły pływowe, które doprowadziły do rozerwania gwiazdy, działają również na pozostały po niej dysk. Siły tarcia sprawiają, że zaczyna on jasno świecić. To jednak nie wszystko. Obracająca się czarna dziura ciągnie za sobą całą pobliską czasoprzestrzeń (to tzw. efekt Lensego-Thirringa). Na skutek tego w okresie po powstaniu dysk akrecyjny ulega precesji – w uproszczeniu, chwieje się w charakterystyczny sposób.

Po rozerwaniu i połknięciu gwiazdy czarne dziury „bekają”? „Nigdy czegoś takiego nie widzieliśmy”

Cztery lata temu niewielka gwiazda zbliżyła się do czarnej dziury. Została przez nią rozerwana i pochłonięta. Jednak trzy lata później ta sama czarna dziura znów się uaktywniła. Naukowc...

Chwiejący się dysk akrecyjny

I tu do chodzimy do istoty odkrycia opisanego w „Nature”. To chwianie się resztek rozerwanej gwiazdy może posłużyć do obliczenia, z jaką prędkością obraca się czarna dziura. Naukowcy zrobili to dla AT2020ocn – emisji silnego promieniowania, docierającego z galaktyki odległej o miliard lat świetlnych. AT2020ocn zostało wychwycone w świetle widzialnym w przeglądzie Zwicky Transient Facility. Jego źródłem jest rozerwanie pływowe, do którego doszło w pobliżu supermasywnej czarnej dziury o masie od miliona do 10 mln razy większej od Słońca.

Astronomowie pod kierunkiem Dheeraja Pashama z MIT skierowali w tamtą stronę teleskop NICER, działający na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Rejestruje on promieniowanie rentgenowskie pojawiające się wokół czarnych dziur i gwiazd neutronowych.

Jak się okazało, precesja nowo powstałego dysku akrecyjnego AT2020ocn odciskała swój ślad na docierającym stamtąd promieniowaniu rentgenowskim. Zmieniało się ono w skali 15 dni. Po trzech miesiącach zaś cykl się skończył – co sygnalizowało, że w pełni uformowany dysk przestał się chwiać.

Z jaką prędkością obraca się czarna dziura?

Obserwacje z użyciem NICER pozwoliły oszacować prędkość wirowania morderczej czarnej dziury. I tu pojawiła się niespodzianka. – Nieco nas zaskoczyło, że czarna dziura nie obraca się bardzo szybko – wyjaśniał Dheeraj Pasham. – To było tylko nieco mniej niż 25 proc. prędkości światła – dodał.

Czy obserwacja skutków innego TDE dałaby podobny wynik? Przekonamy się o tym niedługo. W przyszłym roku ma zacząć działać Vera C. Rubin Observatory w Chile. – Spodziewamy się, że w ciągu następnej dekady Rubin wykryje nawet tysiące TDE – mówi Pasham. Jeśli uda się zmierzyć precesję Lense-Thirringa choćby dla ułamka z nich, naukowcy będą mogli powiedzieć więcej na temat wirowania supermasywnych czarnych dziur. A także ich ewolucji od początku Wszechświata.

Źródło: Nature, Live Science.

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