Czarne dziury to jedne z najbardziej zagadkowych i tajemniczych obiektów znajdujących się w naszym Wszechświecie. Istnieje wiele modeli teoretycznych opisujących ich zachowanie, parametry oraz możliwości powstawania, lecz żaden z nich nie opisuje ich w pełni. Naukowcy, biorąc na tapet supermasywne czarne dziury co najmniej dziesięć razy cięższe od Słońca, zdają sobie sprawę, jak mało na ich temat wiedzą. Jednym z takich przykładów jest supermasywna czarna dziura w centrum galaktyki Abell2744-QSO1.
Jak powstają czarne dziury?
Czarne dziury o masach gwiazdowych (to znaczy od 5 do 100 mas Słońca) powstają z masywnych gwiazd, które przez cały okres swojego życia spalają wodór w hel, tym samym przeciwstawiając się grawitacji. Gdy skończy się w nich paliwo do podtrzymywania reakcji jądrowych, grawitacja powoduje ich zapadanie się, prowadząc do powstania osobliwości. Obiekty o masie powyżej miliona mas Słońca nazywamy supermasywnymi czarnymi dziurami, a ich geneza jest inna.
Jedną z hipotez dotyczących powstawania supermasywnych czarnych dziur jest ich formowanie się z ogromnych obłoków gazu, które – podobnie jak w przypadku gwiazd – zapadają się pod własnym ciężarem, pomijając w ten sposób etap tradycyjnej gwiazdy.
Drugą, równie popularną hipotezą jest łączenie się mniej masywnych obiektów tego typu oraz pochłanianie otaczającej je materii. Z czasem rosną one i stają się centrami swoich galaktyk. Tak jak w naszej Galaktyce supermasywną czarną dziurą jest obiekt o nazwie Sagittarius A*.
Obraz z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba przedstawiający gromadę galaktyk Abell 2744.
Abell2744-QSO1
Wszystko wydaje się jasne i oczywiste, lecz obiekt Abell2744-QSO1 zmusza naukowców do zmiany sposobu myślenia o „zimnych gwiazdach”. Wcześniej wspomniany obiekt powstał od sekundy do 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu, stąd zalicza się do tak zwanych „Little Red Dot” (z ang. “mała czerwona kropka“), obiektów, które powstały do 1,5 miliarda lat po Wielkim Wybuchu. QSO1 ma średnicę 1300 lat świetlnych, a światło z niego podróżowało do Ziemi przez ponad 13 miliardów lat. Jego sygnał został dodatkowo wzmocniony przez soczewkowanie grawitacyjne wywołane przez inną galaktykę.
Naukowców zafascynował wiek tego obiektu. Nawet przy założeniu, że powstał 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu, jest to bardzo krótki czas na powstanie tak masywnej czarnej dziury. Badacze wysunęli hipotezę, że tak masywny obiekt powstał bezpośrednio z pierwotnej gorącej plazmy we wczesnym etapie kształtowania się Wszechświata, pomijając etap stygnięcia i zapadania się obłoku gazowego lub bardzo masywnej gwiazdy.
Pierwotnie masę QSO1 szacowano na 40 milionów mas Słońca. Doktorant Uniwersytetu Cambridge Ignas Juodžbalis oraz Cosimo Marconcini z Uniwersytetu Florenckiego, wykorzystując dane dotyczące ruchu wodoru otaczającego czarną dziurę, zaobserwowali ruch keplerowski wokół centralnego obiektu – dokładnie tak, jak w Układzie Słonecznym, z tą różnicą, że w samym środku znajduje się supermasywna czarna dziura, a nie Słońce. Zjawisko to wykazało, że w tej galaktyce znajduje się bardzo mało gwiazd i dużo lekkiego gazu, takiego jak wodór i hel, a zaledwie 0,5% stanowią cięższe pierwiastki, takie jak tlen. Informacje te pozwoliły naukowcom wyliczyć dokładniejszą masę czarnej dziury, która wynosi 50 milionów mas Słońca, co stanowi dwie trzecie całkowitej masy QSO1.
Pierwotne czarne dziury
Naukowcy mają dziś do dyspozycji wiele narzędzi, zarówno teoretycznych, jak i technologicznych, dzięki którym mogą badać wczesny Wszechświat. Mimo to wciąż niewiele wiemy o tym, co działo się przez pierwsze 300 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu. Według niektórych hipotez część czarnych dziur może być zaledwie kilka sekund młodsza od Wszechświata. Takie obiekty nazywamy pierwotnymi czarnymi dziurami i, w odróżnieniu od ich młodszych odpowiedników, nie mają one dolnej granicy masy ani rozmiaru. Może to oznaczać, że istnieją czarne dziury o masie Słońca lub nawet Ziemi, które są znacznie starsze niż cały Układ Słoneczny. To, że „stare i martwe” gwiazdy mogą być mniejsze niż współczesne obiekty tego typu, jest dość ugruntowaną informacją w świecie nauki. Nowością jest jednak możliwość, że mogą one znajdować się w centrach galaktyk i stanowić ponad połowę ich masy.
Wybitny fizyk i matematyk Lord Kelvin dwa lata przed opublikowaniem szczególnej teorii względności przez Alberta Einsteina wypowiedział słowa: „W fizyce nie ma już nic nowego do odkrycia, wszystko, co pozostało, to coraz bardziej precyzyjne pomiary”. Wbrew jego słowom różnorodność Wszechświata nieustannie zaskakuje naukowców i zapewne jeszcze długo będzie to robić. Każda nietypowa gwiazda, planeta lub – jak w tym przypadku – galaktyka odpowiada na jedno z pytań zadawanych przez naukowców, lecz na jego miejsce pojawiają się kolejne które burzą teorie i udowadniają, że pozostało wiele nie zgłębionych tajemnic Wszechświata.
Korekta – Matylda Kołomyjec
