Przez dziesięciolecia astrofizycy próbowali rozwiązać matematyczny paradoks: zgodnie ze współczesnym rozumieniem fizyki supermasywne czarne dziury są po prostu zbyt duże, aby istnieć. W modelach standardowych proces „akrecji gazu” – kiedy czarna dziura zużywa otaczającą materię do wzrostu – trwa znacznie dłużej, niż pozwala na to wiek Wszechświata, aby olbrzymy osiągnęły swoje obecne rozmiary.
Aby rozwiązać tę zagadkę, naukowcy od dawna wysuwają „teorię łączenia”: supermasywne czarne dziury powstają w wyniku zderzeń ze sobą podczas łączenia się galaktyk. A teraz przełomowe badanie dostarcza pierwszego bezpośredniego dowodu na to, że proces ten faktycznie zachodzi.
Zagadka Markariańska 501
Odkrycie koncentruje się wokół Markarian 501 (Mrk 501), galaktyki eliptycznej znajdującej się w gwiazdozbiorze Herkulesa. Podobnie jak wiele aktywnych galaktyk, Mrk 501 posiada potężny strumień naładowanych cząstek wyrzucanych ze swojego centrum z prędkością niemal równą prędkości światła. Ponieważ ten dżet jest skierowany bezpośrednio na Ziemię, służy astronomom jako rodzaj jasnej latarni.
Korzystając z danych o częstotliwości radiowej zebranych na przestrzeni 23 lat obserwacji, badacze z Instytutu Radioastronomii im. Maxa Plancka (Niemcy) zauważyli coś niemożliwego: galaktyka wydawała się mieć dwa dżety zamiast jednego.
Szpiegowanie niebiańskiego tańca
Naukowcy nie tylko zaobserwowali drugi dżet – śledzili jego ruch. Analizując dane, zarejestrowali złożony taniec orbitalny:
- Ruch orbitalny: Drugi dżet wydawał się poruszać w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara wokół pierwszego.
- Soczewkowanie grawitacyjne: w czerwcu 2022 r. promieniowanie drugiego dżetu zostało zniekształcone w okrąg zwany pierścieniem Einsteina. Dzieje się tak, gdy grawitacja pierwszej czarnej dziury załamuje światło drugiej, działając jak kosmiczna soczewka powiększająca.
- Okres orbity: Na podstawie powtarzających się cykli jasności astronomowie szacują, że dwie czarne dziury krążą wokół siebie co 121 dni.
„Szukaliśmy tego od tak dawna i całkowitym zaskoczeniem było to, że udało nam się nie tylko zobaczyć drugi dżet, ale nawet śledzić jego ruch” – powiedziała współautorka badania Silke Britzen.
Fuzja na dużą skalę na horyzoncie
Chociaż odległość między dwiema czarnymi dziurami – około 250 do 540 razy większa od odległości Ziemia-Słońce – może wydawać się ogromna, w skali kosmicznej jest niewiarygodnie mała. Obiekty te mają masy przekraczające masę naszego Słońca 100 milionów do 1 miliarda razy.
Z tak bliskiej odległości oba olbrzymy są na kursie kolizyjnym. Naukowcy uważają, że mogą się połączyć w ciągu następnego stulecia.
Dlaczego to jest ważne?
Odkrycie to stanowi kluczowy element układanki w zrozumieniu ewolucji galaktyk. Jeśli supermasywne czarne dziury rosną głównie w wyniku takich gwałtownych połączeń, a nie powolnej akrecji, zmienia to cały nasz model powstawania i dojrzewania galaktyk.
Chociaż samo połączenie nastąpi w odległości 440 milionów lat świetlnych od nas – daleko poza bezpośrednią obserwacją człowieka – zdarzenie to prawdopodobnie spowoduje zmarszczki w czasoprzestrzeni. W miarę zbliżania się pary powinny emitować fale grawitacyjne o niezwykle niskiej częstotliwości, które przyszłe obserwatoria będą w stanie wykryć, dostarczając ostatecznego dowodu na istnienie kosmicznego związku.
Wniosek: Obserwacja podwójnych dżetów w Markarian 501 dostarcza przekonujących dowodów na to, że supermasywne czarne dziury rosną w wyniku łączenia się, potencjalnie rozwiązując długoletnią zagadkę matematyczną dotyczącą ich kolosalnych rozmiarów.
