Przeskocz do treści

Delta mi!

Prosto z nieba

„Niemożliwa” czarna dziura

Michał Bejger

o artykule ...

  • Publikacja w Delcie: kwiecień 2020
  • Publikacja elektroniczna: 1 kwietnia 2020
  • Autor: Michał Bejger
    Notka biograficzna: Członek współpracy naukowej LIGO-Virgo (zespołu Virgo-POLGRAW), który we wrześniu 2015 r. odkrył fale grawitacyjne.
  • Wersja do druku [application/pdf]: (300 KB)

Czarne dziury to najbardziej zwarte "obiekty" znane astrofizycznym obserwacjom; cudzysłów częściowo tłumaczy fakt, że czarna dziura nie jest obiektem materialnym, ale regionem czasoprzestrzeni zakrzywiającym się pod wpływem własnego zakrzywienia. Grawitacja w teorii względności pochodzi z zakrzywienia czasoprzestrzeni, w której poruszają się (również zakrzywiające czasoprzestrzeń) masy. Nawet niematerialny obiekt, taki jak czarna dziura, ma zatem masę, ściśle związaną z wywoływaną przez nią krzywizną...

Masa (dla uproszczenia, nierotującej) czarnej dziury |M ma się następująco do promienia horyzontu, otaczającego obszar, z którego prędkość ucieczki jest większa od prędkości światła: M/c2. R = 2G

Astronomowie obserwują różne rodzaje czarnych dziur - od lekkich, o masach kilku mas Słońca, do bardzo masywnych (rzędu miliardów  |M ), przy których nasza Sgr A  ∗ | wydaje się karzełkiem. Bardzo masywne czarne dziury powstały najprawdopodobniej we wczesnym Wszechświecie, przed lub podczas epoki tworzenia się galaktyk, a później tylko przybierały na masie, akreując okoliczną materię i gwiazdy. Procesy tego typu obserwujemy w wielu aktywnych jądrach galaktyk (Active Galactic Nuclei, AGN), ponieważ spadająca na czarną dziurę materia rozgrzewa się i świeci w szerokim widmie promieniowania elektromagnetycznego. Małomasywne czarne dziury powstają natomiast podczas końcowych etapów ewolucji gwiazd. Zaawansowana ewolucyjnie masywna gwiazda czerpiąca energię z procesu fuzji lekkich pierwiastków w coraz cięższe w końcu zapada się "pod własnym ciężarem", gdy reakcje fuzji dochodzą w jej wnętrzu do pierwiastków żelaza i niklu, których łączenie w jeszcze cięższe nie daje zysku energetycznego.

Proces zapadania się i późniejszej eksplozji masywnej gwiazdy nazywamy supernową typu II (typ I to wybuchające białe karły, czyli gwiazdy nieco tylko masywniejsze od Słońca).

Teoria supernowych przewiduje tworzenie się czarnych dziur z gwiazd o masie początkowej mniejszej od około  . 130M Różne procesy związane ze składem chemicznym takich gwiazd - aspekty, które astronomowie określają metalicznością, wpływające m.in. na tempo utraty masy podczas życia gwiazdy w tzw. wiatrach gwiazdowych - powodują, że końcowym produktem ewolucji jest czarna dziura o maksymalnej masie około  . 60M Gwiazdy masywniejsze od około  130M również wybuchają jako supernowe, jednak mechanizm prowadzący do eksplozji jest inny, a dodatkowo - przynajmniej według dotychczasowych teorii - nie prowadzi do utworzenia czarnej dziury. Takie supernowe, powstające z powodu niestabilności kreacji par (pair-instability supernova), są możliwe dzięki utracie stabilności wywołanej tworzeniem się w ich gorącym wnętrzu par elektron-pozyton z energetycznych fotonów gamma.

Jako że cała energia fotonu jest przeznaczana na masy spoczynkowe pary cząstka-antycząstka, nie posiadają one znaczącej energii kinetycznej, czyli nie są dobrym źródłem ciśnienia, co prowadzi do katastroficznego kolapsu.

Reasumując, w zasadzie nie spodziewaliśmy się więc obserwacji bardzo masywnych, jak na gwiazdowe standardy, czarnych dziur - niestabilność par w gwiazdach hiperolbrzymach skutkuje "przerwą masową" w produkcji czarnych dziur w przedziale mas od około 60 do około  . 120M

Astronomowie elektromagnetyczni dostarczają jednak niezwykle ciekawych obserwacji pewnego galaktycznego układu podwójnego metodami tradycyjnymi, czyli mierząc krzywe prędkości radialnych świecącego składnika (za wykorzystanie tej metody do detekcji planet przyznano w 2019 roku Nagrodę Nobla). Układ LB-1 składa się z gwiazdy typu B oraz niewidocznego towarzysza o masie praktycznie w "przerwie masowej":  . |68+11M −13 Nieświecący obiekt o takiej masie może być tylko czarną dziurą. Jeśli te pomiary się potwierdzą, do wyjaśnienia pozostanie, jak wyprodukować tak ciężkie czarne dziury: tworzenie się ich wprost z gwiazd w środowisku o wysokiej metaliczności jest niezwykle trudne w ramach obecnych teorii ewolucji gwiazd.


Źródło

Liu, J., Zhang, H., Howard, A.W. et al. A wide star-black-hole binary system from radial-velocity measurements. "Nature" 575, 618-621 (2019)