Błyski gamma, wybuchy o ogromnych energiach, które zachodzą w odległych zakątkach Wszechświata, mogą być wynikiem niezwykłego kosmicznego tańca pomiędzy czarną dziurą a jej gwiezdnym partnerem. Sam wybuch stanowi też tylko niewielką porcję energii wyzwolonej w trakcie całego procesu.
Jeśli czarna dziura ma towarzysza, którym jest gwiazda, z której najczęściej pozostał tylko pierścień materii rotującej wokół czarnej dziury, materia ta zaczyna kręcić się coraz szybciej i zbliżać się do czarnej dziury. Ostatecznie znajduje się tak blisko, że gwiazda zostaje zniszczona, a dla czarnej dziury też są to ostatnie chwile.
Podczas tego tańca pierścień, czyli torus, jest partnerem biernym. Otrzymuje ogromne ilości energii z czarnej dziury i wypromieniowuje ją we wszystkich kierunkach za pomocą pola magnetycznego, którego linie otaczają oba obiekty jak splatające się ramiona.
W swojej pracy przedstawionej w magazynie „Science” naukowcy z Massachusetts Institute of Technology i Uniwersytetu w Tel Avivie przedstawili model ulatniania się energii podczas tego tańca. Według opisu, energia widziana jako błysk gamma jest dżetem wychodzącym wzdłuż osi rotacji czarnej dziury. Większość energii, ilość około 100 razy większa jest wypromieniowywana z torusa pod postacią fal grawitacyjnych.
Model rozwiązuje paradoks wynikający z ostanich obserwacji, które wskazują, że błyski gamma są silnie ukierunkowanymi strumieniami o śregniej energii podczas gdy rotujące czarne dziury (tzw. czarne dziury Kerra), uważane za możliwe źródło wybuchów, wypromieniowywują energię we wszystkich kierunkach. W swej pracy naukowcy uwzględnili oba te fenomeny.
„Ze wszystkich krótkotrwałych wydarzeń astrofizycznych, błyski gamma są najbardziej obiecyjącym obiektem do badań laboratoryjnych czarnych dziur Kerra” – mówi Maurice van Putten, profesor z MIT i główny autor pracy.
„Rozkład sygnału w czasie wskazuje, że źródło błysku jest bardzo zwarte, ma pewnie 10 do 30 kilometrów średnicy oraz bardzo dużą energię” – ciągnie van Putten. – „Ten opis bardzo pasuje do czarnej dziury Kerra, która rotuje tak szybko, że jedna trzecia jej masy jest magazynowana w energii rotacji.
Zgodnie z Ogólną Teorią Względności Einsteina, czarne dziury Kerra nie mają żadnych szczegółów powierzchni. Wegług van Puttena, rotujące czarne dziury, jeśli tylko są aktywne, wypromieniowywują energię we wszystkich kierunkach. Ich potężna pod względem energii emisja fal grawitacyjnych nie została jeszcze wykryta, ponieważ będzie to możliwe dopiero w przyszłej dekadzie, za pomocą Laserowego Interferometru Fal Grawitacyjnych (LIGO czyli Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), telsekopu, który jest czynny od około dwóch lat.
Torus krąży wokół czarnej dziury przez około 20 sekund, zanim zostanie pochłonięty. Przez ten czas wzdłuż osi rotacji czarnej dziury, w momencie kiedy prędkość jej rotacji przekroczy przeszło dwa razy prędkość rotacji torusa, są emitowane dżety.
Dla nas są one widoczne w postaci błysków gamma, które są przejawem rozproszenia energii kinetycznej w odległości około 16 miliardów kilometrów od czarnej dziury. Takie błyski gamma zaczęto odkrywać lawinowo w ciągu ostatnich trzydziestu lat.
20 sekund to długi okres czasu jak na życie torusa. Dlatego naukowcy utrzymują, że torus musi przyjmować energię od czarnej dziury i przekazywać ją dalej w postaci fal grawitacyjnych. Gdyby torus nie przyjmował energii zostałby łatwo wciągnięty do czarnej dziury. Gdyby tylko pochłaniał energię, wybuchłby.
„Jak to możliwe, że torus krążący wokół czarnej dziury o średnicy tak małej, że nie przekraczającej 20 kilometrów, potrafi przetrwać przez tak długi czas? Sądzimy, że podczas swoich 10 000 okrążeń, tworzy on wydajny katalizator, który przetważa anergię rotacji czarnej dziury zanim nastąpi ostateczna destrukcja – mówi van Putten.
Jeżeli proponowany model jest poprawny, fale grawitacyjne emitowane przez torus wokół czrnej dziury Kerra zostaną zaobserwowane przez LIGO. To może doprowadzić do zaobserwowania pierwszej rotującej czarnej dziury, której istnienie wynika z rozwiązania równań Einsteina przedstawionych w 1963 roku przez Roya P. Kerra, ale która nie została jeszcze zaobserwowana jako obiekt kosmiczny.
Jednak dopóki LIGO, pierwszy instrument który będzie mógł wychwytywać fale grawitacyjne, nie osiągnie swojej największej wrażliwości, co ma się stać w 2008 roku, naukowcy nie mają możliwości mierzenia fal grawitacyjnych.
W 2000 roku zainaugurowano projekt LIGO w Livingston. Jest to wspólny projekt California Institute of Technology, MIT i 20 innych instytucji.
„Możemy również spróbować skojarzyć wybuchy promieniowania grawitacyjnego z poświatą w zakresie fal radiowych, która powinna się pojawić kilka miesięcy po eksplozji i za pomocą której możemy dodatkowo sprawdzić nasz model oraz w przyszłości analizować dane uzyskane przez LIGO” – mówi Amir Levinson z School of Physics and Astronomy w Tel Avivie, drugi autor pracy.
„Przewidywanie co znajdzie LIGO to jak wchodzenie do ciemnego pokoju. Zanim zapalisz światło, nie wiesz dokładnie co zobaczysz, ale masz już pewną ogólną ideę” – podsumowywuje van Putten. – „Rok 2008 będzie przełomem. Zobaczymy co naprawdę kryje się w pokoju. Na razie staramy się zgadnąć, jakie źródło kryje się za błyskami gamma i co będzie najlepszym kandydatem do badań„.
