Czarne dziury urządzały rzeź 11 mld lat temu. NASA w końcu je policzy

Gwiazda zbliża się za bardzo do czarnej dziury. Jej bliższa część jest przyciągana znacznie silniej niż dalsza, przez co cały obiekt zaczyna się rozciągać, aż w końcu rozpada się na strumień gorącej materii. Przez krótki czas takie miejsce może świecić jaśniej, niż wszystkie gwiazdy w danej galaktyce razem wzięte. Tego typu rozbłyski zdarzały się szczególnie często około 11 mld lat temu. NASA chce je wykorzystać, by po raz pierwszy dokładniej policzyć stosunkowo lekkie czarne dziury z młodego Wszechświata.

Czarnej dziury nie można ot tak sobie po prostu sfotografować jak gwiazdy albo planety. Obszar znajdujący się za horyzontem zdarzeń nie wypuszcza światła, dlatego astronomowie obserwują przede wszystkim wpływ czarnej dziury na otoczenie. Najłatwiej jest wtedy, gdy pochłania duże ilości gazu. Materia nie wpada od razu za horyzont zdarzeń, lecz tworzy wokół niego wirujący dysk. Tarcie i kompresja rozgrzewają gaz do ogromnych temperatur, dzięki czemu aktywne jądro galaktyki może być widoczne z miliardów lat świetlnych.

Problem leży jednak w tym, że nie każda czarna dziura przez cały czas urządza sobie ucztę. Szczególnie trudne do odnalezienia są obiekty o masach od około 100 tys. do kilku milionów mas Słońca, które nie mają akurat dostępu do dużego zapasu gazu. Pozostają ciemne, choć mogą siedzieć w samym środku galaktyki.

Od czasu do czasu w ich pobliże zapuszcza się jednak gwiazda. Jeżeli przekroczy granicę nazywaną promieniem pływowym, różnica siły grawitacji działającej na jej bliższą i dalszą stronę zaczyna rozrywać cały obiekt.

Astronomowie nazywają to zdarzeniem rozerwania pływowego, w skrócie TDE od angielskiego Tidal Disruption Event. Mniej oficjalne określenie to spaghettifikacja, ponieważ gwiazda zostaje rozciągnięta w długi, cienki strumień plazmy. Część materii zostaje wyrzucona w przestrzeń. Reszta opada w stronę czarnej dziury, zderza się ze sobą, rozgrzewa i emituje potężny błysk widoczny przez tygodnie, miesiące, a czasem znacznie dłużej.

Paradoksalnie największe czarne dziury niekoniecznie tworzą najbardziej efektowne zdarzenia rozerwania pływowego. Obiekt o masie przekraczającej około 1 mld Słońc może mieć tak rozległy horyzont zdarzeń, że podobna do Słońca gwiazda przekroczy go, zanim siły pływowe zdążą rozerwać ją w widocznym miejscu. Gwiazda zostaje połknięta w całości, a obserwator nie dostaje widowiskowego rozbłysku.

Najlepszymi sprawcami kosmicznej rzezi są więc lżejsze supermasywne czarne dziury, mniej więcej od 100 tys. do 100 mln mas Słońca. Rozszarpują gwiazdę jeszcze przed horyzontem zdarzeń i na krótko zmieniają się z niewidzialnego obiektu w latarnię. Granica ta nie jest jednak idealnie sztywna. Znaczenie mają przede wszystkim masa i budowa gwiazdy, jej trajektoria oraz prędkość obrotu czarnej dziury. Dla astronomów najważniejsze jest jednak to, że TDE wybierają konkretną część populacji.

Każdy znaleziony rozbłysk wskazuje miejsce, w którym prawdopodobnie ukrywa się stosunkowo lekka masywna czarna dziura. Zamiast bezpośrednio oglądać same obiekty, można więc liczyć ich ofiary. Jak pisaliśmy w tekście: Krótki błysk, wielka zagadka. Złapali czarną dziurę na zbrodni, właśnie nietypowo krótki TDE może zdradzić czarną dziurę o masie pośredniej, której normalnie niemal nie dałoby się zauważyć.

Zespół kierowany przez Mitchella Karmena z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa zbudował model opisujący, jak często gwiazdy powinny być rozrywane w różnych okresach historii Wszechświata. Wcześniejsze przewidywania sugerowały, że im dalej spoglądamy w przeszłość, tym mniej TDE powinniśmy znaleźć. Pierwsze czarne dziury mogły być po prostu zbyt małe, aby skutecznie rozrywać gwiazdy i tworzyć dostatecznie jasne rozbłyski.

Nowy model uwzględnia jednak nie tylko samą masę czarnych dziur. Badacze dodali zmiany zachodzące w całych galaktykach: większą gęstość gwiazd w ich centrach, częstsze zderzenia galaktyk, zasłanianie światła przez pył oraz możliwie odmienny rozkład mas powstających gwiazd. Wynik tak naprawdę zmienia wcześniejszy obraz. Liczba zdarzeń rozerwania pływowego przypadających na określoną objętość przestrzeni powinna rosnąć wraz z cofaniem się w czasie, aż do epoki nazywanej kosmicznym południem.

Było to około 11-12 mld lat temu, gdy Wszechświat miał mniej więcej 2-3 mld lat. Galaktyki produkowały wtedy gwiazdy w najszybszym tempie, zawierały dużo gazu i znacznie częściej wpadały na siebie.

Ich centralne obszary były ciasne i chaotyczne. Gwiazdy znajdowały się bliżej siebie, a połączenia galaktyk mogły wprowadzać kolejne czarne dziury oraz zaburzać orbity otaczających je obiektów. Więcej gwiazd było spychanych na trajektorie prowadzące niebezpiecznie blisko horyzontu zdarzeń. Krótko mówiąc, nie chodzi o to, że pojedyncza czarna dziura musiała stać się bardziej agresywna. We wczesnych galaktykach było po prostu więcej okazji do kosmicznej kolizji.

Model przewiduje, że po osiągnięciu maksimum w pobliżu kosmicznego południa liczba TDE zaczyna spadać. Gdy cofamy się do jeszcze wcześniejszych czasów, trafiamy na Wszechświat, w którym odpowiednio masywne czarne dziury dopiero zaczynały powstawać. Część z nich była zbyt lekka, aby generować rozbłyski możliwe do wykrycia z Ziemi, a wiele młodych galaktyk mogło w ogóle nie zawierać centralnego obiektu.

Właśnie kształt tego wzrostu i spadku jest dla astronomów ważniejszy niż jeden efektowny błysk. Pokazuje, jak szybko przybywało czarnych dziur o masach około miliona Słońc i jak często występowały w młodych galaktykach.

Do tej pory nie dało się tego porządnie zmierzyć. Większość potwierdzonych zdarzeń rozerwania pływowego pochodzi ze stosunkowo pobliskiego Wszechświata. Im dalej znajduje się galaktyka, tym słabszy jest rozbłysk, a jego światło zostaje coraz mocniej przesunięte ku podczerwieni. Tu do gry ma właśnie wejść Kosmiczny Teleskop Nancy Grace Roman.

Roman ma zostać wyniesiony 30 sierpnia 2026 r. na pokładzie rakiety Falcon Heavy. NASA podkreśla, że jest to termin nie wcześniej niż, więc start nadal może zostać przesunięty przez pogodę albo problemy techniczne. Teleskop poleci w okolice punktu L2 układu Słońce-Ziemia, około 1,6 mln km od naszej planety. Z tego miejsca będzie mógł prowadzić długie i stabilne obserwacje bez częstego zasłaniania nieba przez Ziemię.

Jego główne lustro ma 2,4 m średnicy, czyli tyle samo co lustro Hubble’a. Roman nie ma jednak zastąpić Hubble’a ani Webba w wykonywaniu wyjątkowo głębokich portretów pojedynczych obiektów.Jego przewagą będzie pole widzenia. Kamera Wide Field Instrument obejmie jednocześnie obszar co najmniej 100 razy większy niż porównywalna kamera Hubble’a, zachowując zbliżoną ostrość obrazu w podczerwieni.

To różnica pomiędzy oglądaniem Wszechświata przez precyzyjną lunetę a otwarciem ogromnego panoramicznego okna. Roman będzie fotografował całe populacje galaktyk, zamiast wybierać po jednej. Jak pisaliśmy w tekście: NASA wysyła w kosmos potężny teleskop. Będzie szukał obcych, w ciągu głównej, 5-letniej misji obserwatorium ma zebrać dane o miliardach galaktyk, setkach milionów gwiazd i ogromnej populacji planet pozasłonecznych.

Do polowania na TDE szczególnie dobrze nadaje się High-Latitude Time-Domain Survey, czyli przegląd czasowy wysokich szerokości galaktycznych. Roman będzie regularnie wracał do tych samych fragmentów nieba i porównywał kolejne obrazy. Główna część programu zakłada obserwacje trwające około 30 godz. i powtarzane co 5 dni przez łącznie 2 lata w środkowej części misji.

Badany obszar ma obejmować około 18 stopni kwadratowych. Dla człowieka patrzącego z Ziemi odpowiada to mniej więcej powierzchni zajmowanej przez 90 pełnych Księżyców. Teleskop stworzy film pokazujący zmiany zachodzące w setkach tysięcy galaktyk. Jeżeli w centrum jednej z nich nagle pojawi się jasny punkt, a później zacznie słabnąć w charakterystyczny sposób, astronomowie otrzymają kandydata na TDE.

Na podstawie tempa wzrostu i zanikania jasności, barwy oraz widma promieniowania będzie można odróżnić rozrywaną gwiazdę od supernowej, zmiennego aktywnego jądra galaktyki i innych kosmicznych eksplozji.

NASA szacuje, że Roman może znajdować do około 100 takich zdarzeń rocznie. Sama liczba nie wygląda gigantycznie w porównaniu z Obserwatorium Very C. Rubin, które może wykrywać tysiące, a nawet dziesiątki tysięcy TDE rocznie. Roman sięgnie jednak znacznie dalej.

Obserwatorium Very C. Rubin będzie regularnie fotografować ogromną część nieba z powierzchni Ziemi. Jego szeroki przegląd stanie się maszyną do wykrywania wszystkiego, co nagle rozbłyska, przesuwa się albo zmienia jasność. Teleskop działa jednak głównie w świetle widzialnym. Promieniowanie wysłane 8-11 mld lat temu zostało rozciągnięte przez ekspansję Wszechświata i przesunięte ku falom podczerwonym.

Roman został zaprojektowany właśnie do obserwacji w bliskiej podczerwieni. Będzie więc szczególnie czuły na odległe TDE, których światło wyruszyło w drogę w okresie największej aktywności gwiazdotwórczej. Rubin dostarczy ogromnej liczby pobliskich przykładów. Roman znajdzie mniej zdarzeń, lecz umieści je w kluczowym fragmencie historii Wszechświata. Webb będzie mógł później dokładniej zbadać najciekawsze galaktyki i rozłożyć ich światło na widmo.

Te obserwatoria nie konkurują więc o ten sam rekord. Razem mają stworzyć ciąg pomiarów rozciągający się od naszej kosmicznej okolicy aż do epoki powstawania pierwszych galaktyk.

Astronomowie nie rozumieją jeszcze, w jaki sposób supermasywne czarne dziury urosły tak szybko. Webb odkrywa ogromne obiekty istniejące zaledwie kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu, choć według prostych modeli powinny potrzebować znacznie więcej czasu.

Jedna hipoteza zakłada powstanie tzw. lekkich ziaren. Pierwsza generacja masywnych gwiazd umierała, pozostawiając czarne dziury o masie od kilkudziesięciu do kilkuset Słońc. Obiekty te łączyły się i wyjątkowo szybko pochłaniały gaz, aż urosły do milionów albo miliardów mas Słońca. W takim scenariuszu zarodków powinno być bardzo dużo. Niemal każda młoda galaktyka mogła otrzymać własną niewielką czarną dziurę.

Przeczytaj także:

Drugi scenariusz mówi o ciężkich ziarnach. Ogromna chmura pierwotnego gazu mogła zapaść się bezpośrednio, tworząc czarną dziurę ważącą od początku dziesiątki tysięcy, a nawet milion mas Słońca. Takie narodziny wymagałyby szczególnych warunków i powinny być znacznie rzadsze. Młody Wszechświat zawierałby mniej czarnych dziur, ale każda zaczynałaby życie z ogromną przewagą.

Jak pisaliśmy w tekście: Odkryli brakujące ogniwo w ewolucji Wszechświata. To było jedzenie bez trzymanki, symulacje pokazują, że także lekkie ziarna mogły rosnąć ekstremalnie szybko, jeżeli znalazły się w odpowiednio gęstym i chaotycznym otoczeniu. Roman ma dostarczyć obserwacyjnego testu. Jeżeli w młodych galaktykach znajdzie się bardzo dużo czarnych dziur o masie około miliona Słońc, wzrośnie znaczenie scenariusza lekkich, licznych ziaren. Jeżeli okażą się rzadkie, to łatwiej będzie bronić modelu ciężkich narodzin.

* Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI