W jaki sposób powstają i rozrastają się czarne dziury znajdujące się w centrach galaktyk? Aby odpowiedzieć na to pytanie, naukowcy muszą wykrywać i badać supermasywne czarne dziury znajdujące się w ogromnych odległościach, tym samym powstały znacznie wcześniej w historii Wszechświata. Najnowsze badania wskazują, że Kosmiczny Teleskop Nancy Grace Roman, którego start zaplanowano na 30 sierpnia 2026 r., będzie w stanie wykrywać te odległe, pradawne czarne dziury, istniejące nawet 11 miliardów lat temu.
Wizja artystyczna przedstawia gwiazdę podobną do Słońca, która jest rozrywana przez supermasywną czarną dziurę – jest to zjawisko znane jako rozerwanie pływowe. Podczas tego zjawiska obszar wokół czarnej dziury może rozjaśnić się i stać się widoczny z ogromnych odległości. Kosmiczny Teleskop Nancy Grace Roman będzie w stanie wykrywać i badać wystąpienia rozrywania pływowego, które miały miejsce we wczesnej historii Wszechświata. Dzięki scharakteryzowaniu wcześniejszej populacji supermasywnych czarnych dziur astronomowie mogą zdobyć wiedzę na temat ich pochodzenia.
Zasady działania czarnych dziur najlepiej badać poprzez szukanie i przyglądanie się światłu emitowanemu przez ich dysk akrecyjny, czyli materię krążącą wokół zanim zostanie pochłonięta. Lżejsze supermasywne czarne dziury są bardziej problematyczne do zaobserwowania, ponieważ są ciemniejsze z racji na mniejszą akrecję. Czasami jednak rozrywają i wchłaniają całą gwiazdę, rozjaśniając się i przyćmiewając całą galaktykę, w której się znajdują. Jest to znane jako rozerwanie pływowe (ang. Tidal Disruption Event). Charakteryzując populacje wczesnych supermasywnych czarnych dziur oraz ich ewolucję i powiększanie przez miliardy lat, teleskop Roman dostarczy nam wiele cennych wskazówek dotyczących ich pochodzenia.
„Kosmiczny Teleskop Roman będzie przełomowy dla astronomii w dziedzinie czasu” – powiedział Mitchell Karmen, student Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa – „Dzięki wysokiej czułości Roman możemy znaleźć kilka przypadków rozerwań pływowych przy znacznie bardziej oddalonych dystansach i czasach”.
Badania o tym odkryciu zostały opublikowane w Astrophysical Journal.
Rozszarpywanie gwiazd
High-Latitude Time-Doman Survey – jeden z trzech głównych przeglądów – jest wyjątkowo dobrze przystosowany do wykrywania i badania rozerwań pływowych wczesnego Wszechświata. Pomiary obejmą około 18 stopni kwadratowych nieba, czyli obszar podobny do około 90 tarcz księżyca w pełni przy regularnym cyklu. Poprzez sprawdzanie tych samych rejonów kilka razy, astronomowie mogą znaleźć wiele zjawisk ważnych dla astronomii w dziedzinie czasu.
Zjawisko rozerwania pływowego jest fenomenem charakterystycznym tylko dla lżejszych supermasywnych czarnych dziur. Cięższe dziury, ważące więcej niż miliard mas Słońca, wchłoną napotkane gwiazdy w całości. Z kolei lżejsze czarne dziury o masie od około 100 tysięcy do 100 milionów mas Słońca mogą rozerwać na strzępy gwiazdę przed wchłonięciem jej, tworząc kosmiczną latarnię która świeci przez kilka tygodni zanim powoli zgaśnie.
Częstość zjawisk rozerwania pływowego waha się w czasie kosmicznym. Poprzednie prace naukowe przewidywały, że ich występowanie będzie się zmniejszać wraz ze wzrostem dystansu, ponieważ większość młodych czarnych dziur są zbyt lekkie, aby spowodować takie rozerwanie. Aczkolwiek najnowsze badanie uwzględnia szereg czynników zmieniających się w czasie, jak częstotliwość złączania galaktyk oraz czarnych dziur, a także liczbę gwiazd w centrum każdej galaktyki oraz to, jak ciasno są one rozmieszczone.
Karmen i jego współpracownicy wymodelowali te i inne efekty, aby przewidzieć ile zjawisk rozerwania pływowego może zaobserwować zarówno teleskop Roman, jak i inne obserwatoria takie, jak Obserwatorium im. Very C. Rubin, czy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Drużyna prognozuje, iż astronomowie zauważą wzrost rozerwań pływowych w miarę, jak Roman będzie badał coraz większe odległości i wcześniejsze okresy aż do „kosmicznego południa”, czyli około 11-12 miliardów lat wstecz, kiedy współczynnik powstawania gwiazd osiągnął szczyt w całym wszechświecie, zanim ponownie zaczął spadać.
Wizualizacja pokazuje średnią liczbę rozerwań pływowych, które teleskop Roman powinien wykryć w ciągu roku, bazując na symulacjach. Przewiduje się, że Roman zarejestruje około 100 takich zjawisk rocznie. Źródło: wideo: NASA, STScI; wizualizacja: Christian Nieves (STScI); dźwięk: Christian Nieves (STScI); projekt: Dani Player (STScI); animacja: Greg Bacon (STScI).
Obserwacje uzupełniające
Roman przeprowadzi obserwacje w bliskiej podczerwieni. Światło z daleko zachodzących rozerwań pływowych staje się rozciągnięte do dłuższych fali przez ekspansję wszechświata. Fenomen ten jest znany, jako przesunięcie ku czerwieni. W związku z tym, teleskop Roman został zoptymalizowany pod kątem wykrywania omawianych zjawisk, które docierają do nas pokonując od 8 do 11 miliardów lat świetlnych.
Obserwatorium Rubin także będzie skanowało duże części nieba w celu odnalezienia kolejnych rozerwań pływowych. Problemem jednak jest fakt, obserwacje zostaną przeprowadzone w świetle widzialnym, co ogranicza je do wykrywania znacznie bliższych zjawisk w porównaniu do teleskopu Roman.
Badanie zespołu Karmena wskazuje, że Rubin wykryje od tysięcy do dziesiątek tysięcy rozerwań pływowych na rok. Choć prognozy przewidują, że teleskop Roman będzie mógł rejestrować do 100 takich zjawisk rocznie, będą to o wiele bardziej odległe czarne dziury, znajdujące się w tym okresie historii kosmosu, który ma kluczowe znaczenie dla rozróżniania odmiennych przebiegów powstawania czarnych dziur.
„Przyjmując liczbę rozerwań pływowych jako funkcję przesunięcia ku czerwieni, można nałożyć znaczące ograniczenia na populację czarnych dziur o masie miliona mas Słońca” – powiedziała Suvi Gezari, współautorka i profesor nadzwyczajny astronomii Uniwersytetu Marylandu – „Roman będzie przełomowy, gdyż będzie mógł udowodnić występowanie zjawisk rozerwania pływowego na większych odległościach, dzięki czemu będzie można obserwować, jak zmienia się tempo ich występowania w czasie”.
Początki supermasywnych czarnych dziur
Astronomowie zaobserwowali prawdziwie olbrzymie czarne dziury uformowane w bardzo wczesnym etapie wszechświata, tak wczesnym, że nawet ciężko naukowo udowodnić, jak w tak krótkim czasie mogły stać się tak wielkie. Musiały powstać jako mniejsze i z czasem urosnąć. Ile mniejsze? Pewna teoria, nazywana teorią „lekkich ziaren” (ang. light seeds) zakłada, że powstały one wskutek śmierci masywnych gwiazd. Takie czarne dziury mogą ważyć do kilkuset mas Słońca. Mogą później łączyć się i wchłaniać otaczający je gaz w nadzwyczajnym tempie. Taki scenariusz przewiduje jest, że każda młoda galaktyka miałaby masywną czarną dziurę w jej centrum.
Druga teoria – „ciężkich ziaren” (ang. heavy seeds) – sugeruje, że czarna dziura mogłaby narodzić się z wiele większą masą początkową, nawet do miliona mas Słońca, w wyniku procesu takiego, jak bezpośrednie zapadnięcie się chmury gazu. Takie zjawisko powinno być mało powszechnie, co prowadziłoby do znacznie rzadszego występowania supermasywnych czarnych dziur we wczesnych galaktykach.
„Zjawiska rozerwania pływowego pomagają nam zmierzyć populację lżejszych supermasywnych czarnych dziur, co może pomóc nam w ocenie tych modelów” – powiedział Karmen.
Finalnie, zestawienie wystąpień rozerwań pływowych wykonane przez teleskop Roman pomoże badaczom śledzić całościowe skutki, które wpływają na ilość czarnych dziur w zależności od czasu.
Kiedy już teleskop Roman i obserwatorium Rubin rozpoczną regularne badania naukowe, zespół ma zamiar porównać swoje prognozy do zarejestrowanych rzeczywistych pomiarów.
„Tak, jak Webb zmienił nasze rozumienie odległych galaktyk, teleskop Roman ma potencjał, aby zmienić naszą wiedzę na temat zjawisk o dużym przesunięciu ku czerwieni” – powiedziała Gezari
Autorem artykułu jest Adam Malik
Korekta – Amelia Staszczyk
