Niszczyciele światów czy ich twórcy? Naukowcy pokazali drugie oblicze czarnych dziur!
Popularny mit głosi, że czarne dziury działają jak gigantyczne kosmiczne odkurzacze, wsysające wszystko wokół siebie. Badania Wladimira Lyry wskazują jednak na zupełnie inny mechanizm związany z supermasywnymi czarnymi dziurami. W ich otoczeniu mogą powstawać planety większe od Jowisza, a niektóre z tych obiektów mogą osiągać masę zbliżoną do masy Słońca.
– Odkrywamy obiekty o masie tysiąc razy większej od Ziemi, ale zbudowane z czystego pyłu. Co więcej, niektóre z tych obiektów zbliżają się do masy Słońca – powiedziała Lyra, profesor astronomii na Uniwersytecie Stanowym Nowego Meksyku.
Lyra rozpoczęła badania nad tym mechanizmem jako stypendystka podoktorska. W 2010 roku współpracowała z Barrym McKernanem, Saavik Ford i Mordecai-Markiem Mac Lowem w Amerykańskim Muzeum Historii Naturalnej. Do zespołu dołączył także Bhupendra Mishra, obecnie pracujący w Santa Fe Preparatory School. Efektem współpracy jest artykuł „Aktywne jądra galaktyk Tori: potencjalne miejsce narodzin milionów planet”, opublikowany w czerwcowym wydaniu „Astrophysical Journal”.
Jak wokół czarnych dziur mogą powstawać planety
Naukowcy wysunęli hipotezę, że małe czarne dziury krążące w dysku wokół supermasywnej czarnej dziury mogłyby zachowywać się podobnie do zarodków planetarnych, czyli protoplanet krążących wokół młodej gwiazdy. Obiekty te migrowałyby, zmieniały orbity, zderzały się ze sobą i tworzyły coraz większe struktury. Na tej podstawie zespół opracował teorię określaną jako „Kanał AGN”, dla której – jak wskazują autorzy – zgromadzono przekonujące dowody obserwacyjne.
Badacze odkryli, że w zewnętrznych obszarach dysków akrecyjnych otaczających supermasywne czarne dziury mogą panować warunki przypominające te występujące w dyskach akrecyjnych młodych gwiazd. Za pomocą modelu komputerowego odtworzyli warunki panujące w tych strukturach, a następnie przeanalizowali proces gromadzenia się pyłu i wzrostu planet przez miliony lat.
Największym zaskoczeniem dla zespołu była liczba obiektów, które mogą powstać, oraz ich rozmiary. Naukowcy wskazują, że w czasie życia aktywnych jąder galaktyk planety mogą osiągać ogromne masy.
Ze względu na swoją masę część takich obiektów może znaleźć się w zakresie, w którym możliwe jest rozpoczęcie syntezy jądrowej i przekształcenie ich w gwiazdy. W ten sposób zespół opisuje mechanizm powstawania gwiazd odmienny od klasycznego modelu, w którym gwiazdy rodzą się wskutek grawitacyjnego zapadania się dużych, gęstych chmur gazu.
W proponowanym mechanizmie proces przebiega odwrotnie – od dołu do góry. Najpierw powstają mniejsze elementy, następnie akreuje się na nie gaz i ostatecznie może powstać gwiazda. Zdaniem zespołu takie środowisko może sprzyjać powstawaniu dużych gwiazd, które następnie mogą zapaść się w czarne dziury. Te z kolei mogłyby się zderzać i tworzyć czarne dziury o masie kilkaset razy większej od masy Słońca.
Fale grawitacyjne mogą potwierdzić teorię
Tak masywne czarne dziury, mające setki, a nawet tysiące mas Słońca, mogą wytwarzać fale grawitacyjne, jeśli zaczną przemieszczać się w kierunku centrum układu. Sygnały takie potencjalnie będzie można wykryć za pomocą LISA (Laser Interferometer Space Antenna). LISA to planowane obserwatorium kosmiczne Europejskiej Agencji Kosmicznej, którego start zaplanowano na połowę lat 30. XXI wieku. Misja będzie składać się z trzech statków kosmicznych poruszających się w formacji trójkąta i wykorzystujących wiązki laserowe do wykrywania zmian w czasoprzestrzeni.
Fale grawitacyjne powstają, gdy masywne obiekty, takie jak czarne dziury, oddziałują ze sobą. Zmiany struktury czasoprzestrzeni rozchodzą się w postaci fal, których istnienie przewidział Albert Einstein w ogólnej teorii względności. Ich obserwacja otworzyła nowe możliwości badania Wszechświata.
Kluczową metodą sprawdzenia teorii zespołu ma być mikrosoczewkowanie. W tym zjawisku masywny, często niewidoczny obiekt działa jak kosmiczna lupa, powodując rozjaśnienie światła gwiazdy znajdującej się w tle. Naukowcy mogą przewidzieć wzór takiego rozjaśnienia dla konkretnego obiektu, a następnie poszukiwać odpowiadającego mu sygnału w danych astronomicznych.
Według Lyry mikrosoczewkowanie, wykorzystywane m.in. do poszukiwania egzoplanet, może pomóc także w sprawdzeniu teorii dotyczącej planet krążących w dyskach AGN. Gdy takie obiekty przejdą na linii widzenia, mogą działać jak soczewki grawitacyjne dla jasnego aktywnego jądra galaktyki.
NASA wystrzeli Teleskop Nancy Grace Roman w sierpniu. Obserwatorium będzie miało pole widzenia od 100 do 200 razy większe niż Teleskop Hubble’a oraz kamerę na podczerwień o rozdzielczości 300 megapikseli.
Zespół nie zamierza jednak czekać na wyniki misji. Naukowcy planują kolejną symulację komputerową, której celem będzie przewidzenie elektromagnetycznych odpowiedników fal grawitacyjnych. Następny model ma uwzględniać czarną dziurę, wirujący gaz, pola magnetyczne i turbulencje w rzeczywistej symulacji.
Jak podsumował Bhupendra Mishra, będzie to niezwykle złożone przedsięwzięcie i kolejny etap badań zespołu.
Źródło: Uniwersytet Stanowy Nowego Meksyku
Czytaj też: To nie jest martwy świat. Na obrzeżach Układu Słonecznego dzieje się coś niezwykłego!
Grafika tytułowa: Frantisek Duris / Unsplash
