Czy czarne dziury mogą być za ciężkie, żeby się połączyć?

Kiedy czarne dziury się łączą?

Szanse na to, że przemierzające kosmos samotne czarne dziury na siebie trafią i zwiążą się grawitacyjnie, są niewielkie, ale nie zaniedbywalne. Może zaistnieć też taka sytuacja, gdy para czarnych dziur jest konsekwencją ewolucji par supermasywnych gwiazd. W takim układzie, gdy każda z gwiazd przejdzie swoją ścieżkę ewolucji, może stać się czarną dziurą. I tak jak gwiazdy obiegały się wzajemnie, tak obiegają się czarne dziury, co prowadzi do emisji fal grawitacyjnych. Te unoszą moment pędu, sprawiając, że czarne dziury zbliżają się do siebie i w końcu zlewają się w jedną jeszcze masywniejszą.

Dowód na zlewanie się czarnych dziur o masach zbliżonych do mas gwiazd już mamy. Po raz pierwszy świadectwo takiego zjawiska zaobserwował detektor LIGO w 2015 roku - fale grawitacyjne wyemitowały łączące się czarne dziury o masach około 30 mas Słońca każda. Był to też pośredni dowód na istnienie czarnych dziur i to, że ludzki umysł jednak potrafi opisać naturę, nawet jeśli jej manifestacja jest bezpośrednio niepostrzegalna.

Podwójne supermasywne czarne dziury. Co z nimi?

Są też czarne dziury o ogromnych masach liczonych w milionach mas Słońca jak Sagittarius A* w centrum Drogi Mlecznej, a nawet w miliardach mas Słońca. Jedna z najmasywniejszych, o wadze 17 miliardów mas Słońca, tworzy kwazar J0529-4351.

Takie supermasywne czarne dziury znajdują się w centrach galaktyk. Przypuszcza się, że prawie każda galaktyka ma taką supermasywną czarną dziurę w środku. A galaktyki jak wiemy potrafią się zderzać ze sobą. Tak uczynią na przykład Droga Mleczna i galaktyka Andromedy za kilka miliardów lat. Wtedy ich supermasywne czarne dziury zaczną powoli na siebie opadać, zacieśniając powoli orbitę wokół siebie. To jednak przyszłość, ale wiemy, że takie układy istnieją w znanym nam już kosmosie.

Zderzenie się dwóch galaktyk (na zdjęciu obiekt NGC3921), z których każda zawiera supermasywną czarną dziurę, prowadzi do powstania par takich czarnych dziur. (fot: ESA/Hubble)

Teoria przewiduje, że podwójne supermasywne czarne dziury również powinny się kiedyś połączyć, tak jak czarne dziury o masach zbliżonych do mas gwiazd. Tylko, że to wciąż teoria, bo jeszcze nie dostrzegliśmy świadectw takich zjawisk. I być może nie dostrzeżemy. Nie ze względu na ograniczenia instrumentów, bo zderzenie się supermasywnych czarnych dziur odbiłoby się echem w rozległej przestrzeni międzygalaktycznej. A ze względu na fakt, że ogromna masa takich czarnych dziur może uniemożliwiać ich połączenie się.

Dlaczego zbyt masywne czarne dziury nie mogą się połączyć?

Należy tu zrozumieć proces, który prowadzi do zacieśnienia orbit dwóch supermasywnych czarnych dziur. Polega on na stopniowym przekazywaniu energii otaczającej materii, w tym gwiazdom, które - podobnie jak sonda wykonująca manewr asysty grawitacyjnej - zbliżając się do czarnych dziur zyskują dodatkową prędkość. Za to supermasywna czarna dziura zwalnia i opada na sąsiadkę.

I tu pojawia się problem. Gdy masy czarnych dziur są wyjątkowo duże, to ich grawitacja skutecznie oczyszcza ich otoczenie z wszelkiej materii. Jeśli brak materii, to brak ośrodka, któremu można przekazywać energię, który wywiera tak zwane dynamiczne tarcie, spowalniając ruch czarnych dziur. Oczywiście są fale grawitacyjne, ale dojdą one do głosu, gdy obiekty odpowiednio się zbliżą. A ze względu na brak materii w otoczeniu może do tego nie dojść.

Wizja dwóch supermasywnych czarnych dziur, które obiegają się wzajemnie. Teoretycznie powinny w końcu na siebie opaść, w praktyce nie jest to takie pewne. (fot: NOIRLab/NSF/AURA/J. daSilva/M. Zamani)

Co wtedy? Opadanie na siebie supermasywnych czarnych dziur ulega stagnacji, która może trwać bardzo długo. Nawet dłużej niż wiek Wszechświata. I prawdopodobnie dlatego nie udaje nam się zaobserwować takiego połączenia.

W końcu mamy obserwacje, które mogą potwierdzić teorię

Fizyka czarnych dziur to w dużym stopniu nauka teoretyczna. Jednak w przypadku (nie)łączenia się supermasywnych czarnych dziur zyskaliśmy ważny argument na potwierdzenie tezy - zbyt masywne obiekty mogą mieć problem z połączeniem się. Znaleziono go w odległości 750 milionów lat świetlnych od Ziemi, w centrum galaktyki eliptycznej B2 0402+379. W jej centrum obserwujemy podwójną supermasywną czarną dziurę o łącznej masie 28 miliardów mas Słońca - najmasywniejszą tego typu parę.

Choć Wszechświat jest ogromny i takich par jest w nim wiele, to B2 0402+379 jest jedyną galaktyką, w której potrafimy obecnie rozdzielić obie czarne dziury na obserwacjach. To i tak ogromne osiągnięcie, bo te czarne dziury dzielą tylko 24 lata świetlne. Ta odległość nie zmieniła się prawdopodobnie od ponad trzech miliardów lat, co jak ulał pasuje do tezy o hamowaniu lub wręcz uniemożliwianiu łączenia się czarnych dziur, gdy są zbyt masywne.

Odkrycie nie byłoby możliwe, gdyby astronomowie nie zachowywali archiwalnych obserwacji. A to stało się łatwe dzięki rozwojowi technologii cyfrowych, z których i my korzystamy.

Źródło: phys.org, iop.org, inf. własna