Czarna dziura w samym środku Drogi Mlecznej

Czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej

Centrum naszej galaktyki, Drogi Mlecznej – jasnego pasa gwiazd, gazu i pyłu, przecinającego nocne niebo, skupiska około 100 mld gwiazd – znajduje się w gwiazdozbiorze Strzelca około 26 tys. lat świetlnych od Słońca.

Astronomowie od dawna podejrzewali, że może tam tkwić masywna czarna dziura. W pobliżu środka leży bowiem źródło promieniowania, którego aktywność w zakresie rentgenowskim i promieniowania gamma wykazuje podobieństwa do innych, znanych aktywnych jąder galaktyk. Pierwszym odkrytym obiek­tem, o którym sądzi się, że zawiera czarną dziurę, był emitujący promienie X układ po­dwójny Sco-Xl. Przemawiała za tym ogrom­na masa i gęstość jednego z tworzących go obiektów. Podobnie większość naukowców tłumaczy wielką jasność kwazarów, dostrze­galnych nawet na krańcach Wszechświata. Energia tych obiektów jest centralnie wy­świecana z bardzo małych i zwartych obsza­rów, co prawdopodobnie wynika z obecno­ści w ich centrach masywnych (o masie milionów mas Słońca) czarnych dziur. Ten sam model postępowania zastosowano przy odkryciu i interpretacji aktywnych galaktyk.

Nie wszyscy astrofizycy byli jednak do końca przekonani, że ciała te zawierają czarne dziury. Nie wierzyli i stawiali pyta­nia: czy świecące w promieniach Roentgena układy gwiazdowe mają czarną dziurę, czy horyzontem zdarzeń cza nej dziury, znajduje się całe skupisko takie ciasno upakowanych gwiazd neutronowych albo wielka, masywna, samograwitująca kula neutrin?

Dotknąć znaczy uwierzyć. Marzenie o „d tknięciu” czarnej dziury spełniło się w j sienią minionego roku. Kierowany przez Reinharda Genzela i Rainera Schoede z Max-Planck-Institut fur extraterrestriscł Physik zespół astronomów opublikow w Naturę z 17 października 2003 r. wyniki przeszło 10-letnich obserwacji ruchów gwiazd w Drodze Mlecznej. Naukowcy ci odkryli, że ponad wszelką wątpliwość w samym centrum naszej galaktyki znajduje się czarna dziura.

Czym jest czarna dziura? Z teorii względności wynika, że jeśli masa obiektu zostań skupiona w dostatecznie małej objętości, pole grawitacyjne w jej pobliżu będzie tak silne, iż nic, nawet światło, nie wydostanie się spod grawitacyjnego horyzontu. Ponieważ żaden sygnał nie dochodzi z czarnych dziur, nie można ich zobaczyć. Nie ma też sensu pytać, z czego się składają. W naszym przekonaniu istnieją jedynie jako źródła pola grawitacyjnego – obiekty zbudowane z czystej grawitacji. Da się jedynie obserwować ich grawitacyjne oddziaływanie na to, co je otacza. Zanim materia wpadająca do czarnej dziury schowa się za jej horyzont, wyświeca część swej energii w postaci wysokoenergetycznego promieniowania. Nie ma w tym nic niezwykłego. Jeśli z wysokości 1 m spadnie nam na stopę 10-kilogramowy odważnik, to zaledwie 10^-16 jego energii spoczynkowej zamieni się w to, co boleśnie odczujemy. Podczas wybuchu bomby wodoro­wej czy też w wyniku reakcji termojądro­wych w gwiazdach na energię zamienia się niecały jeden procent masy. Tymczasem ma­teria wpadająca do czarnej dziury wyświe­ca energię równą kilkunastu pro­centom masy spoczynkowej. To najbardziej wydajny ze znanych nam procesów wytwarzania ener­gii we Wszechświecie!

W jaki sposób udało się znaleźć dowód na istnienie czarnej dziury w Drodze Mlecznej? Środek naszej galaktyki zakrywają bardzo gęsto upakowane gwiazdy, obłoki gazu i pyłu. Okazało się, że w jego cen­trum znajduje się tajemnicze źródło promieniowania radiowego Sag A*. Obserwacje prowadzono w zakre­sie bliskiej podczerwieni, w którym Droga Mleczna jest bardziej prze­zroczysta. Posługiwano się telesko­pami NTT i VLT, należącymi do European Suthern Observatory, ulokowanymi na Cerro Paranal, na pustyni Atacama, w Andach, w północnej części Chile. Oba urządzenia wyposażone są w układy optyki adaptacyj­nej, które umożliwiają częściową redukcję zakłóceń obrazu wynikających z wpływu atmosfery.

Precyzja przeprowadzonych w La Silli ob­serwacji była tak duża, że naukowcy mogli śledzić ruchy gwiazd w centrum galaktyki. Udało im się nawet wyłuskać spośród nich taką, która porusza się z ogromną prędko­ścią – 5000 km/s. Dla porównania: Ziemia w rocznym ruchu wokół Słońca porusza się z prędkością 30 km/s, a typowe prędkości gwiazd są rzędu 200 km/s. Ale ta wielka prędkość jeszcze niczego nie dowodziła. Gwiazdy poruszają się przecież w galakty­ce pod wpływem grawitacji pochodzącej od wszystkich tworzących ją obiektów. A jest ich, bagatela, 100 mld. Dlaczego więc jed­na z nich osiąga tak wielką prędkość? Czy to przypadek?

Należało sprawdzić, czy gwiazda jest zwią­zana grawitacyjnie z centrum galaktyki i jak ciasną orbitę narzuca niewidoczna masa w centrum – hipotetyczna czarna dziura. Po 10 latach obserwacji astronomowie nie mieli wątpliwości. Orbita tej gwiazdy jest keplerowską elipsą, z ogniskiem w centrum Drogi Mlecznej. Stosując taką samą analizę jak Kepler i Newton, astronomowie stwier­dzili, że w obszarze o wymiarach kilkuna­stu godzin świetlnych, co odpowiada kilku naszym Układom Słonecznym razem wzię­tym, zawarta jest masa przeszło 3 mln mas Słońca. Do wykrycia relatywistycznego obiektu, jakim jest czarna dziura, wystar­czyła licząca trzysta kilkadziesiąt lat teoria Newtona i Keplera. Choć obserwowana gwiazda znajduje się zaledwie kilkanaście godzin świetlnych od czarnej dziury (tylko nieco ponad sto razy dalej niż Ziemia od Słońca), jest to odległość przeszło 2000 ra­zy większa od promienia horyzontu czarnej dziury. Poprawki wynikające z teorii Einste­ina wynoszą zaledwie setną część procenta i przy obecnej dokładności obserwacji są nie­dostrzegalne.

Masa przeszło 3 mln mas Słońca, skupio­na w obszarze o rozmiarach nie większych niż kilkanaście godzin świetlnych, pozwala wykluczyć wszystkie znane nam układy inne niż czarna dziura. Skupisko gwiazd neutro­nowych zapadłoby się do czarnej dziury w ciągu zaledwie kilkuset tysięcy lat. Ponie­waż wiadomo, że Droga Mleczna istnieje około 10 mld lat, tę możliwość należy zdecydowanie odrzucić. Gdyby zaś źródłem siły utrzymującej gwiazdę na orbicie było sku­pisko neutrin, musiałyby one mieć odpo­wiednio dużą masę spoczynkową, wyklucza­ną przez wyniki współczesnych doświadczeń. Nie ma więc wątpliwości – zobaczyliśmy czarną dziurę.

Potwierdzenie obecności czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej rodzi ciekawe pytania. Czy wszystkie galaktyki zawierają w jądrach czarne dziury? Czy galaktyki tworzyły się wokół powstałych wcześniej, masywnych czarnych dziur, czy raczej czarne dziury rodziły się w centrach powstałych w inny sposób galaktyk? Czy gromady kuliste (sferyczne skupiska milionów gwiazd, otaczające galaktyki) też zawierają w centrach czarne dziury? Czy nasza galaktyka była kiedyś kwazarem? Zważywszy na tempo rozwoju technik obserwacyjnych, mamy nadzieję, że wkrótce poznamy odpowiedzi i na te pytania.

Ciekawostka!

Aby Ziemia stała się czarną dziurą, całą jej masę należałoby ścisnąć do rozmiarów rzędu jednego centymetra. Czarna dziura o masie Słońca miałaby średnicę kilku kilometrów. Promień czarnej dziury o masie całej Drogi Mlecznej wyniósłby kilkaset miliardów kilometrów, czyli byłby tysiąc razy większy od rozmiarów Układu Słonecznego.