wszechświat
Autor: Przemysław Berg | dodano: 2013-01-27
Brakujące czarne dziury

Kosmos wciąż zaskakuje badaczy nieba. Jedną z największych zagadek ostatnich lat są obiekty emitujące potężne impulsy rentgenowskie. Wiemy już, czym są, tajemnicą jest za to – jak powstają.

W skali najmniejszej zaczyna się zwykle od szczególnych układów podwójnych gwiazd. Układy takie noszą nazwę symbiotycznych lub kataklizmicznych, ponieważ ich historia kończy się katastrofą. Jeśli w układzie podwójnym istnieje biały karzeł (czyli jądro po wypalonej gwieździe podobnej do Słońca lub większej) i gwiazda lub dwa białe karły, zwykle obiekt masywniejszy zaczyna ściągać materię z sąsiedniego, mniej masywnego. Gdy odpowiednio urośnie, traci swoją równowagę ciśnienia i grawitacji, po czym wybucha jako supernowa. Tak powstają najczęstsze supernowe typu Ia.

Jeśli wybuchająca gwiazda miała od trzech do 30 mas Słońca – zwykle zamienia się w czarną dziurę, a więc osobliwość kosmiczną ściśniętą siłami grawitacji do punktu matematycznego. Osobliwość jest mała i czarna, ponieważ nic, nawet światło, nie może się z niej wydostać. Tak rodzą się tzw. gwiazdowe czarne dziury. Ich istnienie przewidział już astronom Pierre Simon de Laplace w XVIII w. Masowo zaczęto je odkrywać 40 lat temu. W kosmosie występuje ich wiele, także w Drodze Mlecznej, trudno je jednak zauważyć, gdyż są… czarne. Widoczny może być tylko dysk otaczającej czarną dziurę materii. Szczególnie gdy materia ta zaczyna do dziury wpływać – wówczas niezwykle się rozgrzewa i emituje silne promieniowanie, także rentgenowskie.

Centralne giganty

Poza gwiazdowymi czarnymi dziurami, czyli mającymi masy od kilku do 30 mas Słońca, istnieją o wiele większe obiekty tego typu, leżące w centrach niemal wszystkich galaktyk. Nazywa się je supermasywnymi czarnymi dziurami, ponieważ ich masy wynoszą od kilkuset tysięcy do kilkunastu miliardów naszych Słońc. Są wśród nich bardzo aktywne – emitujące dawki promieniowania porównywalne z aktywnością całej galaktyki. Jeśli znajdują się daleko i powstały wiele miliardów lat temu – noszą nazwę kwazarów. Inne to czarne dziury w tzw. galaktykach aktywnych. Otaczające je dyski materii mogą mieć rozmiary Układu Słonecznego lub jeszcze większe.

Te czarne dziury są obserwowane w okresach swojej największej aktywności, a więc gdy pochłaniają z otaczających je dysków najwięcej materii. Inne supermasywne czarne dziury – jak ta w centrum naszej Galaktyki – są mniejsze (nasza ma masę około czterech milionów Słońc) i znajdują się w fazie poobiedniej. Dlatego ich aktywność jest znacznie osłabiona. Na szczęście, zważywszy że Układ Słoneczny jest oddalony od centrum Mlecznej Drogi tylko o 25 tys. lat świetlnych. Jednak te największe supermasywne osobliwości grawitacyjne naprawdę potrafią być ogromne. W listopadzie 2012 r. zespół astronomów z Max-Planck-Institut für Astronomie odkrył najprawdopodobniej największą – w galaktyce NGC 1277. Ma ona masę 17 mld Słońc i skupia 14% materii całej galaktyki.

Do dzisiaj pozostaje zagadką, jak supermasywne czarne dziury powstają. Czy tworzą się wraz z narodzinami całej galaktyki, w procesie zapaści protogalaktycznego obłoku materii, czy już po fakcie, z łączenia się mniejszych czarnych dziur? Wiadomo tylko, że centralne, ogromne czarne dziury mają znaczący wpływ na ewolucję galaktyk, na ich wielkość, procesy narodzin gwiazd, aktywność itd.

Brakujące ogniwo

Istnieją więc stosunkowo małe – gwiazdowe – czarne dziury i gigantyczne, o masach wręcz trudnych do wyobrażenia. Jednak w latach 80. odkryto coś, co być może dopełnia ten niesymetryczny obraz – to tzw. ultraintensywne źródła rentgenowskie (ULX – ultraluminous X-ray source). Są to obiekty o bardzo małej jasności optycznej, za to emitujące gigantyczne dawki promieniowania rentgenowskiego. Wprawdzie mniejsze niż supermasywne czarne dziury, ale większe niż jakiekolwiek obiekty gwiazdowe. Na pewno nie są centralnymi obiektami galaktycznymi, ponieważ odnajduje się je zwykle w ramionach galaktyk, a czasem wręcz na ich obrzeżach.

Dość szybko badacze nieba powzięli podejrzenie, że mogą one reprezentować trzecią, „brakującą” grupę czarnych dziur we Wszechświecie, czyli obiektów pośrednich o wielkościach od 500 do kilkunastu tysięcy mas Słońca. Coś małego i trudnego do zaobserwowania w widmie optycznym, w bliskim nam i dalszym Wszechświecie, emituje dawki promieniowania rentgenowskiego z siłą około 1039 ergów na sekundę. To raczej muszą być potężne czarne dziury, jednak jak takie obiekty mogłyby się narodzić? Chyba nie z gwiazd, ponieważ największe gwiazdy miewają masy około 100–200 mas Słońca. Największa dotąd zaobserwowana, w mgławicy Tarantula (R136) w Wielkim Obłoku Magellana, w chwili narodzin miała tych mas 300. Więc nawet z tych największych gwiazd nie mogłyby powstawać czarne dziury o masach przecież znacznie większych.

Czym są ULX-y?

Uczeni od początku przyjęli, że obiekty ULX to najprawdopodobniej czarne dziury i zaproponowali kilka interpretacji tego zjawiska. Na przykład że powstają one z kolizji i łączenia się niskometalicznych gwiazd w gromadach – stąd ich wielkie rozmiary, które po kolapsie grawitacyjnym dają odpowiednio bardzo masywne czarne dziury. Albo że są to raczej zupełnie typowe gwiazdowe czarne dziury, emitujące promieniowanie rentgenowskie w dwóch skoncentrowanych wiązkach, stąd ich obserwowana intensywność. Koncepcję tę, nazwaną polskim pączkiem i uznaną w środowisku badaczy nieba za interesującą, sformułowała grupa polskich astrofizyków, m.in. słynny, nieżyjący już prof. Bohdan Paczyński.

Ciekawe, że została ona w jakiejś mierze potwierdzona w grudniu 2012 r. Zespół astronomów z Międzynarodowego Centrum Badań Radioastronomicznych w Curtin University w australijskim Perth odkrył w galaktyce Andromeda obiekt ULX, który ma 10 mas Słońca. Czyli jest on typową gwiazdową czarną dziurą. Zbadano dokładnie promieniowanie radiowe jego dżetów – potężnych wytrysków materii, która w chwili zapadania się dysku akrecyjnego do czarnej dziury zostaje odepchnięta jego siłami magnetycznymi. Na podstawie intensywności tego promieniowania badacze określili wielkość obiektu, dowodząc, że przynajmniej niektóre obiekty ULX mogą być zwykłymi czarnymi dziurami. Ale czy wszystkie?

HLX-1

„Z pewnością nie – wyjaśnia prof. Andrzej Zdziarski z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika w Warszawie – ponieważ badany w Andromedzie obiekt charakteryzuje się przeciętną dla ULX-ów intensywnością promieniowania rentgenowskiego. Nosi wprawdzie nazwę ULX, ale jest dość słaby. Tymczasem w 2009 r., w galaktyce ESO 243-49, odkryto HLX-1, czyli tzw. hyper luminous X-ray source, a więc ekstremalnie intensywne źródło, 100 razy silniej emitujące promieniowanie niż przeciętne ULX-y. I 10 razy intensywniej niż najsilniejsze źródła tego typ obserwowane wcześniej. Uważa się, że musi mieć masę znacznie przekraczającą 500 Słońc. Jest to źródło jako pierwsze oficjalnie uznane za pośrednią czarną dziurę. Jednak jego geneza wciąż pozostaje wielką zagadką. Kto ją wyjaśni, zdobędzie sławę, ponieważ wyjaśnienie natury tych obiektów jest dla współczesnej astrofizyki sprawą dużej wagi”.

Podobnie uważa jeden z odkrywców leżącego około 300 mln lat świetlnych od nas obiektu HLX-1, Sean Farrell z University of Leicester: „Bez uznania HLX-1 za pośrednią czarną dziurę bardzo trudno byłoby w ogóle wyjaśnić jego istnienie. Jakie obiekty mogą mieć masy od 500 do 10 tys. mas Słońca? Tylko pośrednie czarne dziury. Dlatego HLX-1 tak bardzo przyciąga uwagę całego międzynarodowego środowiska astronomów”.

Dziwne źródło

Od 2010 r. źródło HLX-1 jest ciągle obserwowane przez Australia Telescope Compact Array (teleskop składający się z sześciu identycznych anten). W połowie zeszłego roku pracujący tam zespół opublikował wyniki swoich badań. HLX-1 zachowuje się w dość dziwny sposób – otóż emituje wielkie dawki promieniowania rentgenowskiego (powyżej 1042 ergów/s) cyklicznie, po czym następuje emisja silnego promieniowania radiowego. Przypuszcza się, że gwiazda lub gwiazdy, z których skrywająca się w źródle potężna czarna dziura zasysa materię, okrążają ją po mocno ekscentrycznych orbitach. Zasysanie następuje więc tylko w okresie zbliżenia dawców materii i objawia się wzmożonym promieniowaniem rentgenowskim. Po kilku dniach rejestrowane jest wzmożone promieniowanie radiowe.

Zespół dr. Farrella, dzięki dokładnym obliczeniom intensywności owych oddziaływań, zdołał nawet ustalić maksymalną wielkość czarnych dziur, będących źródłami ekstremalnie intensywnego promieniowania rentgenowskiego, czyli HLX-ów. Uważa się, że obiekty takie mogą mieć masy około 20 tys. Słońc. Jeśli tak jest w istocie, mamy do czynienia z zupełnie nową kategorią obiektów kosmicznych. Dlatego odkrycie HLX-1 uznano za przełomowe i pisały o nim najbardziej renomowane czasopisma naukowe.

Badacze przypuszczają też, że HLX-y – z pewnością takich obiektów występuje więcej w kosmosie – mogą być centralnymi czarnymi dziurami karłowatych galaktyk o małych masach. Wiadomo bowiem, że potężna galaktyka ESO 243-49 w przeszłości pochłonęła karłowaty obiekt galaktyczny, którego pozostałością może być zaobserwowany HLX-1. Teraz znajduje się na obrzeżach ESO. Siła promieniowania dowodzi, że wokół niego dzieją się niezwykłe rzeczy, jednak jak powstał i z czego? – tego na razie nie wiemy. 

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie" nr 02/2013 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
06/2019
05/2019
Kalendarium
Maj
22
W 1980 r. wydano grę komputerową Pac-Man.
Warto przeczytać
Poznaj sekrety płuc i dowiedz się, jak oddychać, żeby żyć dłużej. Czy wiejskie powietrze na pewno jest zdrowe? Jak kasłać, żeby żyć dłużej?W jaki sposób kontrolować astmę i jaki sport może w tym pomóc?

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Przemysław Berg | dodano: 2013-01-27
Brakujące czarne dziury

Kosmos wciąż zaskakuje badaczy nieba. Jedną z największych zagadek ostatnich lat są obiekty emitujące potężne impulsy rentgenowskie. Wiemy już, czym są, tajemnicą jest za to – jak powstają.

W skali najmniejszej zaczyna się zwykle od szczególnych układów podwójnych gwiazd. Układy takie noszą nazwę symbiotycznych lub kataklizmicznych, ponieważ ich historia kończy się katastrofą. Jeśli w układzie podwójnym istnieje biały karzeł (czyli jądro po wypalonej gwieździe podobnej do Słońca lub większej) i gwiazda lub dwa białe karły, zwykle obiekt masywniejszy zaczyna ściągać materię z sąsiedniego, mniej masywnego. Gdy odpowiednio urośnie, traci swoją równowagę ciśnienia i grawitacji, po czym wybucha jako supernowa. Tak powstają najczęstsze supernowe typu Ia.

Jeśli wybuchająca gwiazda miała od trzech do 30 mas Słońca – zwykle zamienia się w czarną dziurę, a więc osobliwość kosmiczną ściśniętą siłami grawitacji do punktu matematycznego. Osobliwość jest mała i czarna, ponieważ nic, nawet światło, nie może się z niej wydostać. Tak rodzą się tzw. gwiazdowe czarne dziury. Ich istnienie przewidział już astronom Pierre Simon de Laplace w XVIII w. Masowo zaczęto je odkrywać 40 lat temu. W kosmosie występuje ich wiele, także w Drodze Mlecznej, trudno je jednak zauważyć, gdyż są… czarne. Widoczny może być tylko dysk otaczającej czarną dziurę materii. Szczególnie gdy materia ta zaczyna do dziury wpływać – wówczas niezwykle się rozgrzewa i emituje silne promieniowanie, także rentgenowskie.

Centralne giganty

Poza gwiazdowymi czarnymi dziurami, czyli mającymi masy od kilku do 30 mas Słońca, istnieją o wiele większe obiekty tego typu, leżące w centrach niemal wszystkich galaktyk. Nazywa się je supermasywnymi czarnymi dziurami, ponieważ ich masy wynoszą od kilkuset tysięcy do kilkunastu miliardów naszych Słońc. Są wśród nich bardzo aktywne – emitujące dawki promieniowania porównywalne z aktywnością całej galaktyki. Jeśli znajdują się daleko i powstały wiele miliardów lat temu – noszą nazwę kwazarów. Inne to czarne dziury w tzw. galaktykach aktywnych. Otaczające je dyski materii mogą mieć rozmiary Układu Słonecznego lub jeszcze większe.

Te czarne dziury są obserwowane w okresach swojej największej aktywności, a więc gdy pochłaniają z otaczających je dysków najwięcej materii. Inne supermasywne czarne dziury – jak ta w centrum naszej Galaktyki – są mniejsze (nasza ma masę około czterech milionów Słońc) i znajdują się w fazie poobiedniej. Dlatego ich aktywność jest znacznie osłabiona. Na szczęście, zważywszy że Układ Słoneczny jest oddalony od centrum Mlecznej Drogi tylko o 25 tys. lat świetlnych. Jednak te największe supermasywne osobliwości grawitacyjne naprawdę potrafią być ogromne. W listopadzie 2012 r. zespół astronomów z Max-Planck-Institut für Astronomie odkrył najprawdopodobniej największą – w galaktyce NGC 1277. Ma ona masę 17 mld Słońc i skupia 14% materii całej galaktyki.

Do dzisiaj pozostaje zagadką, jak supermasywne czarne dziury powstają. Czy tworzą się wraz z narodzinami całej galaktyki, w procesie zapaści protogalaktycznego obłoku materii, czy już po fakcie, z łączenia się mniejszych czarnych dziur? Wiadomo tylko, że centralne, ogromne czarne dziury mają znaczący wpływ na ewolucję galaktyk, na ich wielkość, procesy narodzin gwiazd, aktywność itd.

Brakujące ogniwo

Istnieją więc stosunkowo małe – gwiazdowe – czarne dziury i gigantyczne, o masach wręcz trudnych do wyobrażenia. Jednak w latach 80. odkryto coś, co być może dopełnia ten niesymetryczny obraz – to tzw. ultraintensywne źródła rentgenowskie (ULX – ultraluminous X-ray source). Są to obiekty o bardzo małej jasności optycznej, za to emitujące gigantyczne dawki promieniowania rentgenowskiego. Wprawdzie mniejsze niż supermasywne czarne dziury, ale większe niż jakiekolwiek obiekty gwiazdowe. Na pewno nie są centralnymi obiektami galaktycznymi, ponieważ odnajduje się je zwykle w ramionach galaktyk, a czasem wręcz na ich obrzeżach.

Dość szybko badacze nieba powzięli podejrzenie, że mogą one reprezentować trzecią, „brakującą” grupę czarnych dziur we Wszechświecie, czyli obiektów pośrednich o wielkościach od 500 do kilkunastu tysięcy mas Słońca. Coś małego i trudnego do zaobserwowania w widmie optycznym, w bliskim nam i dalszym Wszechświecie, emituje dawki promieniowania rentgenowskiego z siłą około 1039 ergów na sekundę. To raczej muszą być potężne czarne dziury, jednak jak takie obiekty mogłyby się narodzić? Chyba nie z gwiazd, ponieważ największe gwiazdy miewają masy około 100–200 mas Słońca. Największa dotąd zaobserwowana, w mgławicy Tarantula (R136) w Wielkim Obłoku Magellana, w chwili narodzin miała tych mas 300. Więc nawet z tych największych gwiazd nie mogłyby powstawać czarne dziury o masach przecież znacznie większych.

Czym są ULX-y?

Uczeni od początku przyjęli, że obiekty ULX to najprawdopodobniej czarne dziury i zaproponowali kilka interpretacji tego zjawiska. Na przykład że powstają one z kolizji i łączenia się niskometalicznych gwiazd w gromadach – stąd ich wielkie rozmiary, które po kolapsie grawitacyjnym dają odpowiednio bardzo masywne czarne dziury. Albo że są to raczej zupełnie typowe gwiazdowe czarne dziury, emitujące promieniowanie rentgenowskie w dwóch skoncentrowanych wiązkach, stąd ich obserwowana intensywność. Koncepcję tę, nazwaną polskim pączkiem i uznaną w środowisku badaczy nieba za interesującą, sformułowała grupa polskich astrofizyków, m.in. słynny, nieżyjący już prof. Bohdan Paczyński.

Ciekawe, że została ona w jakiejś mierze potwierdzona w grudniu 2012 r. Zespół astronomów z Międzynarodowego Centrum Badań Radioastronomicznych w Curtin University w australijskim Perth odkrył w galaktyce Andromeda obiekt ULX, który ma 10 mas Słońca. Czyli jest on typową gwiazdową czarną dziurą. Zbadano dokładnie promieniowanie radiowe jego dżetów – potężnych wytrysków materii, która w chwili zapadania się dysku akrecyjnego do czarnej dziury zostaje odepchnięta jego siłami magnetycznymi. Na podstawie intensywności tego promieniowania badacze określili wielkość obiektu, dowodząc, że przynajmniej niektóre obiekty ULX mogą być zwykłymi czarnymi dziurami. Ale czy wszystkie?

HLX-1

„Z pewnością nie – wyjaśnia prof. Andrzej Zdziarski z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika w Warszawie – ponieważ badany w Andromedzie obiekt charakteryzuje się przeciętną dla ULX-ów intensywnością promieniowania rentgenowskiego. Nosi wprawdzie nazwę ULX, ale jest dość słaby. Tymczasem w 2009 r., w galaktyce ESO 243-49, odkryto HLX-1, czyli tzw. hyper luminous X-ray source, a więc ekstremalnie intensywne źródło, 100 razy silniej emitujące promieniowanie niż przeciętne ULX-y. I 10 razy intensywniej niż najsilniejsze źródła tego typ obserwowane wcześniej. Uważa się, że musi mieć masę znacznie przekraczającą 500 Słońc. Jest to źródło jako pierwsze oficjalnie uznane za pośrednią czarną dziurę. Jednak jego geneza wciąż pozostaje wielką zagadką. Kto ją wyjaśni, zdobędzie sławę, ponieważ wyjaśnienie natury tych obiektów jest dla współczesnej astrofizyki sprawą dużej wagi”.

Podobnie uważa jeden z odkrywców leżącego około 300 mln lat świetlnych od nas obiektu HLX-1, Sean Farrell z University of Leicester: „Bez uznania HLX-1 za pośrednią czarną dziurę bardzo trudno byłoby w ogóle wyjaśnić jego istnienie. Jakie obiekty mogą mieć masy od 500 do 10 tys. mas Słońca? Tylko pośrednie czarne dziury. Dlatego HLX-1 tak bardzo przyciąga uwagę całego międzynarodowego środowiska astronomów”.

Dziwne źródło

Od 2010 r. źródło HLX-1 jest ciągle obserwowane przez Australia Telescope Compact Array (teleskop składający się z sześciu identycznych anten). W połowie zeszłego roku pracujący tam zespół opublikował wyniki swoich badań. HLX-1 zachowuje się w dość dziwny sposób – otóż emituje wielkie dawki promieniowania rentgenowskiego (powyżej 1042 ergów/s) cyklicznie, po czym następuje emisja silnego promieniowania radiowego. Przypuszcza się, że gwiazda lub gwiazdy, z których skrywająca się w źródle potężna czarna dziura zasysa materię, okrążają ją po mocno ekscentrycznych orbitach. Zasysanie następuje więc tylko w okresie zbliżenia dawców materii i objawia się wzmożonym promieniowaniem rentgenowskim. Po kilku dniach rejestrowane jest wzmożone promieniowanie radiowe.

Zespół dr. Farrella, dzięki dokładnym obliczeniom intensywności owych oddziaływań, zdołał nawet ustalić maksymalną wielkość czarnych dziur, będących źródłami ekstremalnie intensywnego promieniowania rentgenowskiego, czyli HLX-ów. Uważa się, że obiekty takie mogą mieć masy około 20 tys. Słońc. Jeśli tak jest w istocie, mamy do czynienia z zupełnie nową kategorią obiektów kosmicznych. Dlatego odkrycie HLX-1 uznano za przełomowe i pisały o nim najbardziej renomowane czasopisma naukowe.

Badacze przypuszczają też, że HLX-y – z pewnością takich obiektów występuje więcej w kosmosie – mogą być centralnymi czarnymi dziurami karłowatych galaktyk o małych masach. Wiadomo bowiem, że potężna galaktyka ESO 243-49 w przeszłości pochłonęła karłowaty obiekt galaktyczny, którego pozostałością może być zaobserwowany HLX-1. Teraz znajduje się na obrzeżach ESO. Siła promieniowania dowodzi, że wokół niego dzieją się niezwykłe rzeczy, jednak jak powstał i z czego? – tego na razie nie wiemy.