Krótki błysk, wielka zagadka. Złapali czarną dziurę na zbrodni
Tajemniczy rozbłysk spoza jądra galaktyki trwał tylko miesiąc, ale może sporo namieszać. Analizy wskazują na rzadką czarną dziurę pośredniej masy, która właśnie pożera gwiazdę.
Astronomowie złapali kosmiczną zbrodnię niemal na gorącym uczynku. W odległej o 1,5 mld lat świetlnych galaktyce rozbłysło światło gwiazdy, która wpadła w śmiertelne objęcia czarnej dziury. Już samo takie zdarzenie to gratka, ale tym razem liczy się sprawca. Wszystko wskazuje na to, że nie jest to ani mała, ani supermasywna czarna dziura, lecz brakujące ogniwo pomiędzy nimi, a mianowicie obiekt pośredniej masy, którego astronomowie od lat rozpaczliwie szukają.
Gwiazda przemielona na spaghetti
Zdarzenie, które przykuło uwagę badaczy, nosi oznaczenie AT2022zod. W październiku 2022 r. teleskopy zarejestrowały nagły, jasny rozbłysk w galaktyce SDSS J105602.80+561214.7. Jasność szybko wzrosła, utrzymywała się przez nieco ponad miesiąc, po czym zaczęła gwałtownie spadać.
Taki scenariusz pasuje do tzw. zjawiska rozerwania pływowego gwiazdy, po angielsku Tidal Disruption Event (TDE). Dzieje się ono wtedy, gdy gwiazda zbliży się za bardzo do czarnej dziury. Grawitacja po jednej stronie gwiazdy jest wtedy znacznie silniejsza niż po drugiej – siły pływowe dosłownie ją rozciągają. Fizykę tego procesu naukowcy opisują nieco makabrycznym słowem spaghettifikacja: gwiazda zostaje rozciągnięta w cienką strugę materii, niczym nitka spaghetti.
Część tego gwiezdnego makaronu wpada wprost do czarnej dziury, podgrzewa się do ogromnych temperatur i zaczyna świecić w wielu zakresach promieniowania. Reszta zostaje wyrzucona w przestrzeń z prędkościami zbliżonymi do prędkości światła. Zwykle taki pokaz trwa całymi miesiącami, a nawet latami. W przypadku AT2022zod wszystko rozegrało się zaskakująco szybko, bo w kilka tygodni.
Gdzie się schowała czarna dziura? Ano poza centrum galaktyki
Większość znanych nam TDE rejestrowana jest w samych sercach galaktyk, tam, gdzie siedzą potężne supermasywne czarne dziury o masach milionów lub miliardów Słońc. Tym razem maksimum emisji znajdowało się około 10 tys. lat świetlnych od centrum galaktyki. To tak, jakby w Drodze Mlecznej podobne zdarzenie wydarzyło się nie w samym środku, gdzie czai się Sagittarius A*, ale gdzieś na obrzeżach jednego z ramion spiralnych.
Ten pozanuklearny charakter, połączony z rekordowo krótkim czasem trwania rozbłysku, okazał się tutaj najistotniejszy. Z teorii wynika, że czas trwania TDE rośnie mniej więcej wraz z masą czarnej dziury. Im mniejsza, tym szybciej pożera gwiazdę i tym krótszy jest widoczny błysk.
Skoro AT2022zod zgasł po zaledwie miesiącu, trudno przypisać go supermasywnej czarnej dziurze. Z drugiej strony był zbyt energetyczny, by odpowiadał zwykłemu, gwiezdnemu czarnemu potworowi o masie kilku czy kilkudziesięciu Słońc. Najlepiej pasuje tu więc scenariusz pośredni: czarna dziura o masie tysięcy, może dziesiątek tysięcy Słońc, ukryta w gęstej gromadzie gwiazd gdzieś na obrzeżach galaktyki.
Czym tak właściwie jest czarna dziura pośredniej masy?
Dotychczas astronomowie mieli dobrze udokumentowane dwie rodziny czarnych dziur. Pierwsza to czarne dziury o masach gwiazdowych, powstające z zapadnięcia jądra masywnej gwiazdy po supernowej. Ważą zwykle od kilku do kilkuset mas Słońca i można je wykrywać np. dzięki falom grawitacyjnym zdetektowanym przez obserwatoria LIGO czy Virgo. Druga rodzina to supermasywne czarne dziury w centrach galaktyk. Ich masa sięga milionów lub miliardów Słońc, a o ich istnieniu wiemy m.in. z ruchu gwiazd w okolicach jądra galaktyki czy z jasnych jąder aktywnych, zwanych kwazarami.
Pomiędzy tymi dwoma światami zieje przepaść – zakres od kilkuset do setek tysięcy mas Słońca, w którym teoria przewiduje istnienie tzw. czarnych dziur pośredniej masy. To one miałyby być cegiełkami budującymi później supermasywne potwory, łącząc się w coraz większe obiekty. Problem w tym, że takich pośrednich czarnych dziur prawie nie widzimy. Kandydatów jest dosłownie garstka, a każdy z nich wywołuje długie dyskusje.
AT2022zod jest tak ekscytujący, bo znakomicie pasuje do tego brakującego typu. Zdarzył się poza centrum galaktyki, jego błysk był krótki, a energia jest ogromna. To niemal podręcznikowy sygnał, że gwiazda wpadła na czarną dziurę o masie gdzieś pośrodku kosmicznej skali.
Gęste gromady gwiazd to fabryki czarnych dziur
Z analizy wynika, że rozbłysk AT2022zod musiał pochodzić z bardzo gęstego środowiska gwiazdowego. Najbardziej prawdopodobne są dwa scenariusze: gromada kulista albo tzw. ultrazwarta galaktyka karłowata (UCD).
Gromada kulista to ciasno upakowana kula bardzo starych gwiazd, licząca często setki tysięcy słońcowych podobnych obiektów. W naszej Drodze Mlecznej znamy ich dziesiątki; na zdjęciach z teleskopu Hubble’a wyglądają jak świetliste kule brokatu zawieszone w próżni. W takim tłoku gwiazdy i czarne dziury cały czas się mijają, zderzają, tworzą układy podwójne. To idealne warunki do serii kolizji i łączenia się czarnych dziur w coraz większe obiekty.
UCD to z kolei swoiste resztki małych galaktyk, którym większy sąsiad oderwał większość gwiazd. Zostaje tylko bardzo gęste jądro – miniaturowa galaktyka z własną czarną dziurą w środku. Jeśli AT2022zod wybuchł właśnie w takim jądrze, mógł nam pokazać czarną dziurę, która nigdy nie urosła do supermasywnych rozmiarów, ale i tak daleko wykracza poza zwykłe gwiazdowe.
Z takiej odległości nie jesteśmy jeszcze w stanie rozdzielić samego otoczenia rozbłysku, dlatego badacze mówią ostrożnie, że na ten moment wiemy tylko, iż jest to jakiś rodzaj gęstej gromady. Ale już sama ta informacja wzmacnia hipotezę o czarnej dziurze pośredniej masy – właśnie takich środowisk teoria spodziewa się dla tego typu obiektów.
Co dalej? Nowe teleskopy ruszą na łowy
AT2022zod to przede wszystkim instrukcja obsługi dla łowców czarnych dziur pośredniej masy: trzeba szukać krótkich, gwałtownych rozbłysków, które nie pojawiają się w samym centrum galaktyk, lecz w ich gęstych gromadach gwiazd.
Za kilka lat szanse na sukces wzrosną dramatycznie. W Chile kończy się przygotowywanie do pracy na pełnej obrotach Obserwatorium Very Rubin, które przez dekadę w ramach przeglądu Legacy Survey of Space and Time (LSST) będzie wykonywać głęboki, systematyczny przegląd nieba – codziennie skanując te same obszary i wyłapując każdy nowy rozbłysk. Taki teleskop jest wręcz stworzony do polowania na krótkie TDE podobne do AT2022zod.
Przeczytaj także:
Jeśli tych zjawisk okaże się więcej, astronomowie wreszcie zaczną zapełniać lukę na osi mas czarnych dziur. A to pozwoli odpowiedzieć na jedno z podstawowych pytań współczesnej astrofizyki, a mianowicie jak z pierwszych, niewielkich czarnych dziur powstały potwory ważące miliardy Słońc, które dziś siedzą w centrach galaktyk.
