Nowe badanie przewiduje istnienie mas większych niż supermasywne czarne dziury we wszechświecie

W pobliżu centrum Drogi Mlecznej znajduje się masywny obiekt, który astronomowie nazywają Sagittarius A*. Ta „supermasywna” czarna dziura mogła urosnąć wraz z naszą galaktyką i nie jest odosobniona. Naukowcy uważają, że podobny olbrzym leży w sercu prawie wszystkich dużych galaktyk we wszechświecie.

Niektóre z nich mogą osiągnąć naprawdę duże rozmiary, powiedział Joseph Simon, doktor habilitowany na Wydziale Astrofizyki i Nauk Planetarnych na University of Colorado Boulder.

„Czarna dziura w centrum naszej galaktyki jest miliony razy masywniejsza od Słońca, ale widzimy też inne, które naszym zdaniem są miliardy razy masywniejsze od Słońca” – powiedział.

Astrofizyk poświęcił swoją karierę badaniu zachowania tych trudnych do zaobserwowania obiektów. W niedawnych badaniach wykorzystał symulacje komputerowe lub „modele”, aby przewidzieć masy największych supermasywnych czarnych dziur we wszechświecie – koncepcja matematyczna znana jako funkcja masy czarnej dziury.

Innymi słowy, Simon starał się ustalić, co można by znaleźć, gdyby można było umieścić każdą z tych czarnych dziur jedna po drugiej w gigantycznej skali.

Jego obliczenia sugerują, że miliardy lat temu czarne dziury mogły być średnio znacznie większe, niż wcześniej przypuszczali naukowcy. Odkrycia mogą pomóc naukowcom rozwiązać większą zagadkę, wyjaśniając siły, które ukształtowały obiekty takie jak Sagittarius A*, gdy wyrosły z maleńkich czarnych dziur w gigantów, którymi są dzisiaj.

„Zaczynamy dostrzegać z wielu różnych źródeł, że we wszechświecie istniały bardzo masywne rzeczy od bardzo wczesnych lat” – powiedział Simon.

Swoje ustalenia opublikował 30 maja br Listy z dziennika astrofizycznego.

Galaktyczna symfonia

Dla Simona te „bardzo duże rzeczy” to chleb powszedni.

Astrofizyk bierze udział w drugim projekcie badawczym o nazwie North American Nanohertz Gravitational-Wave Observatory (NANOGrav). W ramach projektu Simon i setki innych naukowców ze Stanów Zjednoczonych i Kanady spędzili 15 lat badając zjawisko znane jako „tło fal grawitacyjnych”. Koncepcja odnosi się do ciągłego strumienia fal grawitacyjnych lub gigantycznych zmarszczek w czasie i przestrzeni, które falują we wszechświecie w sposób niemal ciągły.

Ten kosmiczny pęd ma również swoje źródło w supermasywnych czarnych dziurach. Simon wyjaśnił, że jeśli dwie galaktyki zderzą się ze sobą w przestrzeni, centralne czarne dziury również mogą się zderzyć, a nawet połączyć. Wirują, zanim zderzają się ze sobą jak dwa talerze w orkiestrze – tylko ten talerz generuje fale grawitacyjne, dosłownie wypaczając strukturę wszechświata.

Aby zrozumieć tło fal grawitacyjnych, naukowcy muszą najpierw wiedzieć, jak naprawdę masywne są supermasywne czarne dziury we wszechświecie. Większe talerze wytwarzają większy podmuch i wytwarzają znacznie więcej fal grawitacyjnych, powiedział Simon.

Jest tylko jeden problem.

„Mamy już dobre pomiary mas supermasywnych czarnych dziur w naszej galaktyce i pobliskich galaktykach” – powiedział. „Nie mamy tego samego rodzaju pomiarów dla odległych galaktyk. Musimy tylko zgadywać”.

Powstają czarne dziury

W swoich nowych badaniach Simon postanowił zgadywać w zupełnie nowy sposób.

Najpierw zebrał informacje o setkach tysięcy galaktyk, które mają kilka miliardów lat. (Światło może podróżować tylko tak szybko, więc kiedy ludzie obserwują odległe galaktyki, cofają się w czasie). Simon wykorzystał te informacje do obliczenia przybliżonych mas czarnych dziur dla największych galaktyk we wszechświecie. Następnie użył modeli komputerowych do symulacji fal grawitacyjnych tła, które te galaktyki wytworzyłyby, które obecnie obmywają Ziemię.

Odkrycia Simona ujawniają pełny zakres mas supermasywnych czarnych dziur we wszechświecie sprzed prawie 4 miliardów lat. Zauważył również coś dziwnego: wydawało się, że miliardy lat temu we wszechświecie było znacznie więcej dużych galaktyk, niż przewidywały niektóre wcześniejsze badania. To nie miało sensu.

„Oczekiwano, że te naprawdę masywne systemy zobaczysz tylko w bliskim wszechświecie” – powiedział Simon. „Rozrost czarnych dziur wymaga czasu”.

Jednak jego badania uzupełniają rosnącą liczbę dowodów sugerujących, że mogą nie potrzebować tak dużo czasu, jak kiedyś sądzili astrofizycy. Na przykład zespół NANOGrav widział podobne sygnały od gigantycznych czarnych dziur czających się we wszechświecie miliardy lat temu.

Na razie Simon ma nadzieję zbadać pełen zakres czarnych dziur rozciągających się jeszcze dalej w czasie, ujawniając wskazówki dotyczące tego, jak powstała Droga Mleczna, a ostatecznie nasz Układ Słoneczny.

„Zrozumienie mas czarnych dziur ma kluczowe znaczenie dla niektórych z tych fundamentalnych pytań, takich jak tło fal grawitacyjnych, ale także jak rosną galaktyki i jak ewoluował nasz wszechświat” – powiedział Simon.