Supermasywne czarne dziury. Naukowcy potwierdzili zlewanie się ciemnej materii

Czarne dziury są centralnym punktem niemal każdej aktywnej galaktyki. To one odpowiadają w dużej za masę i energię galaktyk, ale wciąż pozostają jednym z najbardziej tajemniczych obiektów w kosmosie. Wśród wielu hipotez, dotyczących natury ciemnej materii, która jest trudna do wychwycenia ze względu na praktyczny brak emisji promieniowania, są też takie, mówiące o układach czarnych dziur, stanowiących jądra galaktyk.

Istnienie pojedynczych czarnych dziur stanowi wyjaśnienie wielu anomalii grawitacyjnych w ruchu gwiazd i galaktyk, a one same są jednymi z największych obiektów we wszechświecie, gdy weźmie się pod uwagę ich masę. Teraz badacze ze Stowarzyszenia Uniwersytetów dla Badań Astronomicznych AURA (Association of Universities for Research in Astronomy) odnaleźli i zmierzyli dotychczas największy podwójny układ supermasywnych czarnych dziur.

Gdy dwie galaktyki zderzą się i zaczną przekształcać się w jedną, zmieniają się także znajdujące się w ich centrach czarne dziury. Gdy powstaje ich binarny układ, poruszają się po powiązanej orbicie. Zdaniem naukowców, naturalnym dalszym krokiem binarnych układów jest ostatecznie ich "zlanie się" w jeden, ale nigdy tego jeszcze nie zaobserwowano. Pytanie, czy takie zdarzenie jest możliwe, jest tematem dyskusji astronomów od dziesięcioleci. Nowe spojrzenie na tę kwestię rzuca zespół astronomów, którzy wykorzystali teleskop Gemini North Narodowej Fundacji Nauki Stanów Zjednoczonych (US NSF).

W artykule opublikowanym w The Astrophysical Journal badacze opisali wyniki analiz obserwacji supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w centrum galaktyki eliptycznej B2 0402+379. To czarna dziura w układzie binarnym, jedynym, jakiego istnienie dotychczas potwierdzono, obserwując dwa odseparowane jądra czarnych dziur. Zmierzono ich odległość od siebie – wynosi zaledwie 24 lata świetlne.

Razem, ale jednak osobno

Mimo połączenia się ciemnej materii obu czarnych dziur i sprawianie wrażenia istnienia jednej całości, duża rozdzielczość badanego materiału pozwoliła jasno określić odległość obu centrów obiektów. Do nowej analizy wykorzystano także historyczne dane pochodzące z Gemini North. Co zaskoczyło naukowców, to fakt, że jądra czarnych dziur pozostają od lat osobno. Od miliardów lat.
Tak niewielka separacja zapowiadałaby potężną fuzję czarnych dziur, ale dalsze badania naukowców wykazały, że czarne dziury z układu B2 0402+379 pozostają w niewielkiej odległości od ponad trzech miliardów lat. Astrofizycy badają teraz dlaczego.

• Polska inwestuje w sferę kosmiczną. Kupuje satelity do celów cywilnych i militarnych
• Ludzie znowu polecą na Księżyc. Istotna rola Polski w misji Artemis

Badacze skorzystali z archiwalnych danych spektrografu wieloobiektowego Gemini (GMOS) należącego do Gemini North. To pozwoliło im określić prędkość gwiazd w pobliżu czarnych dziur.
- Doskonała czułość GMOS umożliwiła mapowanie rosnących prędkości gwiazd w miarę zbliżania się do centrum galaktyki – mówi prof. Roger Romani, fizyk Uniwersytetu Stanforda i współautor artykułu. - Dzięki temu mogliśmy obliczyć całkowitą masę znajdujących się tam czarnych dziur - dodaje.
Jak wynika z szacunków, masa podwójnego układu czarnych dziur wynosi 28 miliardów mas Słońca, co oznaczałoby, że to może być najcięższa czarna dziura z kiedykolwiek obserwowanych.

Przede wszystkim masa

Zdaniem naukowców wyniki badań potwierdzają wieloletnią teorię, że to ciężar supermasywnej podwójnej czarnej dziury odgrywa kluczową rolę w opóźnianiu potencjalnego połączenia się dwóch rdzeni. Obecność dwóch supermasywnych czarnych dziur w połączeniu z ich dużą łączną masą sugeruje też, że powstały one w wyniku połączenia wielu mniejszych czarnych dziur z wielu galaktyk, a więc również układu wielu gwiazd. To właśnie ruch otaczających gwiazd wpływa na energię czarnych dziur – jest ona oddawana gwiazdom.

Jak czytamy w artykule, w miarę jak czarne dziury tracą energię, para jest przyciągana coraz bliżej, aż rdzenie dzielą zaledwie lata świetlne, a później łączą się. Proces ten zaobserwowano bezpośrednio w parach czarnych dziur o masach gwiazdowych – pierwszy zarejestrowany przypadek miał miejsce w 2015 r. poprzez wykrycie fal grawitacyjnych – ale nigdy w układzie podwójnym typu supermasywnego.

- Zwykle wydaje się, że galaktyki z jaśniejszymi parami czarnych dziur mają wystarczającą ilość gwiazd i masy, aby szybko się ze sobą połączyć – mówi prof. Romani. - Ponieważ ta para jest tak ciężka, połączenie wymaga dużej ilości gwiazd i gazu, ale układ podwójny czarnych dziur pozbawił galaktykę centralną takiej materii, pozostawiając strukturę w danym stanie tak długo, co umożliwiło nasze badania – wyjaśnia ekspert.

Znaczenie archiwów

Nie wiadomo jeszcze, czy ta para pokona "stagnację" i ostatecznie połączy się. Nawet jeśli, będzie to możliwe w czasie obejmującym miliony lat.

- Pomiary masy tej ekstremalnie supermasywnej podwójnej czarnej dziury są inspirującym przykładem potencjalnego wpływu nowych badań eksplorujących to dane archiwalne - mówi Martin Still, dyrektor programowy US NSF w Międzynarodowym Obserwatorium Gemini. - Archiwum danych z Międzynarodowego Obserwatorium Gemini to kopalnia złota niewykorzystanych odkryć naukowych – dodaje.

Przemysław Goławski, The Astrophysical Journal