Kosmiczny Teleskop Spitzer potwierdza, że czarne dziury są łyse. Żadnych włosów, ani jednego

Galaktyka OJ 287 oddalona od nas o drobne 3,5 mld lat świetlnych jest domem dla jednej z największych dotąd odkrytych czarnych dziur. Masa potwora znajdującego się w środku OJ 287 szacowana jest na 18 mld mas Słońca. Jakby tego było mało, wokół tej naprawdę supermasywnej czarnej dziury krąży druga, mniejsza o masie „zaledwie” 150 mln mas Słońca. W ciągu pełnego okrążenia, które zajmuje 12 lat, mniejsza z dziur dwukrotnie przebija się przez rozległy dysk gazowy otaczający większą z nich, powodując silny rozbłysk promieniowania, silniejszy od promieniowania biliona (nie miliarda) gwiazd, czyli silniejszy od blasku całej Drogi Mlecznej.

Astronomowie obserwujący ten układ mieli przed sobą jeden poważny problem - mniejsza czarna dziura uderza w dysk gazowy większej nieregularnie. Czasami między kolejnymi rozbłyskami mija rok, a czasami jest to dziesięć lat. Spowodowane jest to tym, że mała czarna dziura nie porusza się po orbicie kołowej, a mocno wydłużonej, eliptycznej. Jakby tego było mało, orbita też bezustannie zmienia swoje położenie względem obiektu centralnego. Stąd i próby przewidywania, kiedy dojdzie do następnego rozbłysku, były mocno utrudnione i potrzebowałyby całych dekad pracy.

Przy każdym uderzeniu w gazowy dysk powstaje rozszerzający się we wszystkie strony bąbel gorącego gazu. Niecałe 48 godzin później jasność układu wzrasta czterokrotnie.

Astronomowie tworzą model, który zdaje się przewidywać pojawienie się kolejnego rozbłysku z dokładnością do trzech tygodni. Zważając na to, że między kolejnymi zderzeniami czarnej dziury z dyskiem mijają całe lata, to jest to całkiem dobra dokładność. Na potwierdzenie modelu przyszło czekać do 2015 roku. Ku zadowoleniu astrofizyków, czarna dziura nie zawiodła i zmieściła się w przewidzianym pięć lat wcześniej trzytygodniowym oknie.

Trzy tygodnie to jednak długo. Nie można pójść do biura, usiąść i poczekać na potwierdzenie swojej prognozy, że to „właśnie dzisiaj na drugim końcu wszechświata czarna dziura znów rozpali swoje otoczenie”.

Z tego też powodu, w 2018 r., grupa naukowców kierowana przez Lankeswara Dey, doktoranta z Instytutu Nauk Fundamentalnych Tata w Mumbaju w Indiach, opublikowała jeszcze bardziej szczegółowy model, który przynajmniej w teorii powinien umożliwić zorganizowanie spotkania znajomych w biurze i obserwowania na żywo rozbłysku w galaktyce 3,5 mld lat świetlnych od Mumbaju.

Nie muszę chyba wspominać, że rozbłysk, który pojawił się 31 lipca 2019 r., potwierdził poprawność modelu.

Po sprawdzeniu prognoz nowego modelu badacze zorientowali się, że nie będą w stanie sprawdzić, czy faktycznie do rozbłysku dojdzie, z jednego prostego powodu. 31 lipca 2019 r. Galaktyka OJ 287 znajdowała się wprost za Słońcem z naszej perspektywy i żaden instrument naziemny nie był w stanie jej obserwować.

Oh wait! Teleskop kosmiczny, który zakończył pracę w styczniu 2020 r., pół roku wcześniej jako jedyny był w stanie spojrzeć w stronę galaktyki. Podążający po tej samej orbicie co Ziemia, teleskop znajdował się na tyle daleko za nią (254 mln km), że spokojnie mógł spojrzeć za Słońce i przyjrzeć się interesującej nas galaktyce.

Spitzer rozpoczął zatem obserwacje 31 lipca i prowadził je do początku września, kiedy to czarna dziura już „wyszła” zza Słońca i można było ją obserwować dalej z Ziemi.

Ku zdumieniu naukowców okazało się, że czarna dziura stała się jasna już pierwszego dnia obserwacji, czyli dokładnie wtedy, kiedy przewidywał Dey ze swoim zespołem.

Odpowiedzią są fale grawitacyjne. Choć teoretycznie przewidziane ponad 100 lat temu przez Alberta Einsteina, to po raz pierwszy w historii zaobserwowane zostały dopiero w 2015 roku.

Jasne, we wcześniejszych badaniach naukowcy uwzględniali fakt, że dwie czarne dziury krążące wokół siebie emitują fale grawitacyjne, ale nie wiedzieli dokładnie jakie i jak to wpływa na układ.

Informacje z detektorów LIGO, które w 2015 roku jako pierwsze zarejestrowały fale grawitacyjne, pozwoliły znacząco uszczegółowić wpływ fal grawitacyjnych na wirujące wokół siebie czarne dziury.

Okazało się, że fale grawitacyjne emitowane przez układ dwóch tak masywnych czarnych dziur, są tak silne, że wyprowadzają z układu wystarczająco dużo energii, aby prowadziło to do bezustannych zmian orbity mniejszej czarnej dziury wokół większej.

Informacje z LIGO pozwoliły zawęzić prognozy co do kolejnego zderzenia z dyskiem do 36 godzin.

Udoskonalając swój model, naukowcy wpadli na pomysł, aby uwzględnić w nim jeszcze szczegóły dotyczące fizycznych cech większej czarnej dziury, a dokładniej wbudować w model teorię mówiącą o tym, że „czarne dziury nie mają włosów”.

Teoria stworzona w latach sześćdziesiątych skupia się na „powierzchniach” czarnych dziur. Oczywiście jasne, czarne dziury nie mają żadnej powierzchni, ale istnieje taka granica, po przekroczeniu której już nic się z niej nie wydostaje, nawet światło. Część teorii mówiła, że taka zewnętrzna krawędź czarnej dziury - horyzont zdarzeń - może być nierówna, nieregularna. Teoria łysej czarnej dziury stwierdza jednak, że czarna dziura nie ma absolutnie żadnych nierówności i czarne dziury jako takie są symetryczne względem swoich osi rotacji.

Prawidłowe przewidzenie momentu zderzenia czarnej dziury z dyskiem gazowym innej czarnej dziury w całej rozciągłości potwierdza tę teorię. Gdyby z jednej strony czarnej dziury istniało jakieś wybrzuszenie, choćby niewielkie, to zmieniłoby istotnie orbitę mniejszej czarnej dziury i nie bylibyśmy w stanie przewidzieć, kiedy dojdzie do zderzenia.