Mała czarna dziura może „zasysać” materię z pobliskiej gwiazdy. Ściągany przez siłę grawitacji gaz tworzy wirujący dysk, który osiąga bardzo wysoką temperaturę i jasno świeci. Czasami powstają także dżety – prostopadłe do dysku wiązki bardzo intensywnego promieniowania. Dzięki obserwacjom dalekich kwazarów możemy poznać odległą historię wszechświata i wkrótce będziemy lepiej mierzyć kosmiczne dystanse – mówi
dr hab. Szymon Kozłowski.
Focus: Niedawno odkryto rekordowo jasny kwazar. Znajduje się w odległości 12,8 mld lat świetlnych od nas i świeci 40 tys. razy jaśniej niż cała nasza Galaktyka. Co to właściwie są kwazary?
Szymon Kozłowski: Gdy popatrzymy w niebo przez teleskop, okaże się, że wszechświat jest wypełniony galaktykami, a w tej jego części, którą możemy obserwować, jest ich kilkaset miliardów. Każda galaktyka to skupisko dziesiątek, a często setek miliardów gwiazd, które krążą wokół wspólnego środka masy. Kwazary to taki rodzaj galaktyk, które w swoich centrach mają bardzo masywne czarne dziury, a te z kolei otoczone są bardzo jasno świecącymi, wirującymi dyskami materii. Jeśli wokół supermasywnej czarnej dziury jest pył i gaz, materia ta pod wpływem przyciągania opada na czarną dziurę, tworząc dysk, który potrafi świecić niezwykle jasno. Kwazary są bardzo, bardzo daleko od nas, często na krańcach obserwowanego wszechświata, dlatego widzimy je na niebie jedynie jako świecące punkty.
Focus: Jak to się dzieje, że gaz i pył wirujące w dysku świecą?
S.K.: Nikt nigdy nie widział z bliska, jak to się dzieje. Astronomowie, bazując na swoich obserwacjach, modelach i prawach fizyki, uważają, że to zasługa sił tarcia. Im bliżej czarnej dziury, tym materia krąży szybciej, a im dalej – tym wolniej. Podobnie dzieje się z planetami w naszym Układzie Słonecznym. Merkury (pierwsza planeta od Słońca) musi krążyć dużo szybciej wokół Słońca niż Neptun (ostatnia planeta), żeby utrzymać się na orbicie. Analogicznie, bardziej odległe warstwy gazu i pyłu, orbitujące wokół czarnej dziury, mają mniejszą prędkość niż te znajdujące się bliżej. Gdy przylegające warstwy poruszają się z różną prędkością, pojawia się tarcie między nimi, które z kolei rozgrzewa materię do wysokich temperatur i powoduje świecenie dysku. Wokół kwazara, o który pan pyta, jest taki dysk, który świeci równie mocno jak 420 bilionów naszych Słońc.
Focus: A czym jest czarna dziura?
S.K.: Czarnej dziury także bezpośrednio nikt nigdy nie widział. Nie da się jej zabrać do laboratorium, zbadać, zmierzyć czy zważyć. Wszystkie wnioski wyciągamy wyłącznie na podstawie jej wpływu na otoczenie. Dlatego też do końca wciąż nie wiemy, czym są czarne dziury, a tak naprawdę nie wiemy, „co mają w środku”. Rzekłbym: wiemy jednocześnie bardzo dużo i niewiele. Żeby „stworzyć” czarną dziurę, trzeba skupić w jednym miejscu bardzo wiele materii, która będzie zapadać się pod własnym ciężarem, a tym samym będzie się koncentrować w coraz mniejszej i mniejszej objętości. Gdybyśmy mogli przy pomocy wielkiego imadła ścisnąć całą Ziemię do postaci kulki o promieniu dziewięciu milimetrów, to zamieniłaby się w czarną dziurę. Jest to obiekt, z którego nic się nie wydostaje, nawet światło poruszające się z największą możliwą prędkością (uwaga dla bardziej wnikliwych czytelników – pomijam tutaj promieniowanie Hawkinga). Ponieważ żadna informacja nie może się wydostać z czarnej dziury na zewnątrz, nie wiemy, co dzieje się w jej wnętrzu, z czego się składa. Ma ona jednak rozmiar, masę i inne mierzalne parametry. Dla dowolnej konkretnej masy możemy policzyć promień. Jest to horyzont zdarzeń czarnej dziury. Cokolwiek zbliży się do centrum czarnej dziury na odległość mniejszą niż horyzont zdarzeń, nie zdoła już stamtąd uciec. Dla ściśniętej Ziemi jest to kilka milimetrów, a dla Słońca byłoby to kilka kilometrów.
Focus: Gdzie znajduje się najbliższa czarna dziura?
S.K.: Małe czarne dziury, o masach kilku naszych Słońc, znajdujemy w odległościach rzędu kilku tysięcy lat świetlnych od Słońca. Ale w zasadzie nic nie stoi na przeszkodzie, żeby znaleźć je bliżej, gdyby w jakiś sposób emitowały światło (np. świecący dysk materii). Słynna czarna dziura w gwiazdozbiorze Łabędzia, nazywana Cygnus X-1, znajduje się w odległości około 6 tys. lat świetlnych od nas. Z kolei od supermasywnej czarnej dziury w centrum naszej Galaktyki (cztery miliony razy masywniejszej od Słońca), często nazywanej przez astronomów Sagittarius A*, dzieli nas 26 tys. lat świetlnych.
Focus: Wróćmy do odkrycia rekordowego kwazara. Co to oznacza dla nauki?
S.K.: Niezwykłe jest, że tak supermasywna czarna dziura, otoczona tak bardzo jasno świecącym dyskiem, uformowała się zaledwie 875 mln lat po Wielkim Wybuchu. Astronomowie nie do końca wiedzą, jak to wyjaśnić. Żeby to wytłumaczyć, trzeba bardzo mocno ponaginać obowiązujące obecnie teorie o sposobach powstawania czarnych dziur. Większość znanych kwazarów powstała znacznie później, bo 3–4 miliardy lat po Wielkim Wybuchu. Takich, które powstały w ciągu pierwszego miliarda lat istnienia wszechświata, znamy zaledwie kilkadziesiąt. Najdalsze kwazary są dla nas dodatkowo cennym źródłem informacji o wszechświecie, ponieważ ich światło przed dotarciem do naszych teleskopów na Ziemi, przez – powiedzmy – dwanaście miliardów lat, pokonało znaczną część wszechświata. Badając, jak to światło zmieniało się po drodze, możemy dowiedzieć się, co znajduje się w tej rozległej przestrzeni. Moje osobiste przeczucie i nadzieje są takie, że wkrótce kwazary będą mogły także pełnić funkcję tzw. świec standardowych – mierników odległości we wszechświecie, szczególnie tym najdalszym, w którym nie umiemy jeszcze ich mierzyć.
Czy wkrótce łatwiej będzie nam pokonywać kosmiczne dystanse? (Na zdjęciu Szymon Kozłowski - łowca kwazarów na tle polskiego obserwatorium w Las Campanas)Focus: Jak w ogóle możemy określać odległości w dalekim kosmosie?
S.K.: Astronomowie najczęściej używają właśnie świec standardowych. Są to obiekty, o których wiemy, jak jasno świecą naprawdę. Mierząc, ile ich światła dociera do nas, czyli o ile są ciemniejsze od wzorca, możemy stwierdzić, jaka odległość dzieli nas od świec standardowych. Są nimi np. wybuchające gwiazdy – supernowe typu Ia. Ale możemy nimi badać tylko bliższe dwie trzecie dziejów wszechświata, natomiast kwazary idealnie wpasowałyby się w badania etapów wcześniejszych, gdy wszechświat był znacznie młodszy.
Focus: Czy możemy zobaczyć czarną dziurę, której nie otacza świecący dysk materii?
S.K.: Tak, ale nie bezpośrednio. Przykładem jest Sagittarius A* w centrum Drogi Mlecznej. Żeby stwierdzić, że ona tam jest, astronomowie obserwowali ruch gwiazd krążących po bardzo ciasnych orbitach wokół samego centrum Galaktyki. Gwiazdy te poruszają się po orbitach w kształcie elips. Zbliżając się do punktu najbliższego centrum Galaktyki, przyspieszają, a następnie gwałtownie zakręcają. Jest to spowodowane niezwykle silną grawitacją bardzo masywnego obiektu. Skoro jednak tego obiektu nie widzimy, bo on nie świeci, to wiemy, że tym obiektem musi być czarna dziura. Wyznaczenie masy czarnej dziury jest możliwe, jeśli znamy orbitę krążącej wokół niej gwiazdy. Innymi słowy, aby zmierzyć masę dowolnego obiektu, wokół którego krąży inny obiekt, wystarczy znać prędkość i położenie tego drugiego. Na przykład, żeby oszacować masę Jowisza, wystarczy znać odległości do jego księżyców oraz prędkości, z jakimi poruszają się po swoich orbitach.
Czarne dziury można także wykryć, wykorzystując zjawisko soczewkowania grawitacyjnego. Gdy pomiędzy nami a odległą gwiazdą lub galaktyką znajdzie się czarna dziura, wówczas będzie ona zakrzywiała poruszające się w naszym kierunku światło tego dalekiego obiektu. Światło to będzie poruszało się w kierunku Ziemi w zakrzywionej czasoprzestrzeni – za sprawą grawitacji czarnej dziury zmieni lekko kierunek swojego toru lotu. W idealnym przypadku, gdy Ziemia, czarna dziura i znajdująca się za nią odległa gwiazda lub galaktyka ustawią się w jednej linii, światło odległego obiektu zobaczymy na niebie w postaci świetlistego pierścienia, w którego środku będzie (niewidoczna) czarna dziura. Stanie się tak, ponieważ podróżujące ku nam światło zostało ugięte z każdej strony czarnej dziury. Zjawisko soczewkowania grawitacyjnego mogą też wywoływać obiekty o masach znacznie mniejszych niż czarne dziury czy gwiazdy.
Focus: Jakie?
S.K.: Na przykład swobodne planety pozasłoneczne, które przemierzają naszą Galaktykę i nie krążą wokół żadnej konkretnej gwiazdy. Wszystkie one przynależały kiedyś do konkretnych układów planetarnych, z których musiały zostać wyrzucone. Bada je m.in. polski zespół naukowy przeglądu nieba OGLE, do którego należę. W Obserwatorium Las Campanas w Chile, gdzie znajduje się nasz teleskop, wykorzystujemy metodę soczewkowania grawitacyjnego do wykrywania takich planet. Przemierzająca Drogę Mleczną planeta o masie Ziemi, przechodząc na tle dalekiej gwiazdy, spowoduje krótkotrwałe jej pojaśnienie, trwające około dwóch godzin. Jest to więc dla nas unikatowa okazja do wykrycia wędrującego ciała niebieskiego. Niestety, to także jedyna szansa na badanie tych obiektów, gdyż nie świecą one własnym światłem i nie jesteśmy w stanie badać ich toru ruchu czy właściwości po zakończeniu zjawiska mikrosoczewkowania.
Focus: Czy w ramach projektu OGLE obserwujecie również kwazary?
S.K.: Tak, kilka lat temu wraz ze współpracownikami opracowaliśmy nowe sposoby na zlokalizowanie odległych kwazarów za Obłokami Magellana – dwiema małymi galaktykami sąsiadującymi z naszą Drogą Mleczną, widocznymi na niebie z południowej półkuli Ziemi. Odkryte za nimi kwazary (758 sztuk) stanowią dla Obłoków Magellana nieruchome tło. Badając, jak gwiazdy Obłoków Magellana przemieszczają się na tym tle, mamy szansę się dowiedzieć, czy te drobne galaktyki obracają się, zbliżają czy oddalają się od siebie. Powinniśmy też poznać odpowiedź na intrygujące astronomów pytanie: czy Obłoki Magellana orbitują wokół naszej Galaktyki (jak Księżyc wokół Ziemi), czy jedynie mijają Drogę Mleczną, by odpłynąć w przestrzeń i już nigdy nie pojawić się w naszym kosmicznym sąsiedztwie? W przyszłym roku powinniśmy poznać odpowiedzi na część z tych pytań, gdyż od dwóch lat dodatkowo prowadzimy obserwacje części tych kwazarów za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, który dostarcza obrazy dużo lepszej jakości niż te uzyskiwane na Ziemi.
Źródło: Focus
Przeczytaj więcej: 
