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.