Czarne dziury przyłapane na rozrywaniu i pożeraniu gwiazd

To, że czarne dziury mają naturę destrukcyjną, wiemy do dawna. Ich ogromne masy zniekształcają samą czasoprzestrzeń. W ich pobliżu dochodzi do szeregu niecodziennych i trudnych do intuicyjnego zrozumienia zjawisk, a czas zdaje się płynąć inaczej. Można też zobaczyć, co dzieje się po przeciwnej stronie czarnej dziury, bo na skutek zakrzywienia czasoprzestrzeni dobiega do nas stamtąd światło ukazujące to, co znajduje się bezpośrednio za nią.

Czarna dziura – która może być duża lub mała, a także mniej lub bardziej masywna – to taki obszar we Wszechświecie, z którego prędkość ucieczki jest większa od prędkości światła. Prędkość ucieczki zależy od rozmiarów i masy obiektu, który chcemy opuścić. "Opuścić" oznacza tu tyle, co trwale wyzwolić się z pola grawitacyjnego danego ciała, czyli oddalić się od niego po trajektorii będącej krzywą otwartą, na przykład parabolą. Nie wystarczy zatem, by ciało "uciekające" weszło na orbitę kołową lub eliptyczną bardziej masywnego obiektu, ale by mogło swobodnie opuścić jego pole grawitacyjne.

Prędkość ucieczki możemy na przykład obliczyć dla Ziemi – wynosi ona 11,2 km/s. Dla Słońca jest już równa ponad 600 km/s. Jeśli jednak obliczona prędkość ucieczki z ciała niebieskiego o danej masie i promieniu przekracza prędkość światła w próżni, czyli prawie 300 000 km/s, nawet światło emitowane przez ten obiekt już nigdy nie będzie w stanie do nas dotrzeć i pozostanie uwięzione w pułapce grawitacyjnej. Takiego obiektu już nigdy nie zobaczymy i prawdopodobnie nie dotrze też z niego do nas żadna forma promieniowania elektromagnetycznego czy inna informacja, nie licząc subtelnych i wciąż będących przedmiotem badań efektów kwantowych.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Istnieje ostatnia granica, sfera otaczająca czarną dziurę i oddzielająca nas jako jej zewnętrznych obserwatorów od tego, co jeszcze tam widzimy, czyli tego, co może okolice czarnej dziury opuścić na przykład jako światło, od tego wszystkiego, co pozostaje już dla nas ukryte. To tak zwany horyzont zdarzeń. Wszystko, co z punktu widzenia obserwatora wpadnie pod horyzont zdarzeń, bezpowrotnie znika, nawet jeśli jest to obiekt tak duży i masywny jak gwiazda.

Supermasywne czarne dziury znajdujące się często w centrach dużych galaktyk pochłaniają ze swojego otoczenia ogromne ilości okolicznej materii. A gdy w sidła grawitacji takiej czarnej dziury wpadnie właśnie zbłąkana gwiazda, po przekroczeniu przez nią pewnej granicy związanej z odległością od horyzontu zdarzeń jej los jest przesądzony.

Co dzieje się z gwiazdą, która za bardzo zbliży się do czarnej dziury? Jeśli bezpośrednio zderzy się z masywną czarną dziurą, może nawet całkowicie do niej wpaść i po prostu znika. Bardziej prawdopodobny jest jednak scenariusz, w którym gwiazda zbliży się tylko na tyle, że grawitacja czarnej dziury odciągnie najpierw jej zewnętrzne warstwy, które nie od razu wpadną pod horyzont zdarzeń, ale najpierw będą krążyły wokół czarnej dziury w formie dysku. Czy można zobaczyć tę gwałtowną śmierć gwiazdy?

Nim jeszcze nastąpi, potężna siła grawitacji sprawia, że gwiazda jest rozciągana niczym ciasto w procesie nazywanym spaghettifikacją. Ostatecznie dochodzi do jej rozerwania pływowego (ang. Tidal Disruption Event, TDE). Gwiazda zostaje dość gwałtownie rozbita na drobne kawałki. Rozrywanie pływowe gwiazd jest jednym z najbardziej dynamicznych i zarazem budzących grozę zjawisk we Wszechświecie, a niedawno okazało się, że może zachodzić znacznie częściej, niż dotąd sądzono.

Z końcem stycznia 2024 roku zespół naukowców z Massachusetts Institute of Technology informował o identyfikacji osiemnastu nowych przypadków rozrywania pływowego gwiazd przez pola grawitacyjne znajdujących się w ich pobliżu supermasywnych czarnych dziur. Są to ekstremalne przypadki zaburzeń pływowych, w których gwiazda zostaje najpierw przyciągnięta bliżej czarnej dziury, a następnie bezlitośnie rozerwana: czarna dziura po prostu rozsmarowuje ją w przestrzeni kosmicznej. Na koniec część materii nieistniejącej już gwiazdy jest formowana w dysk – pierścień pozostałości wokół czarnej dziury i powoli pochłaniana, znikając z naszych oczu (i instrumentów obserwacyjnych) za horyzontem zdarzeń.

Ten pokaz potęgi czarnej dziury wytwarza przy okazji ogromne ilości energii. Dzięki temu astronomowie mogą wykrywać przypadki rozrywań pływowych gwiazd. Dotąd szukali ich głównie w świetle widzialnym i na falach rentgenowskich. Zarejestrowano dzięki temu kilkanaście przypadków pożerania gwiazd w bliskim Wszechświecie. Z początkiem 2024 roku nowe dane obserwacyjne zespołu z MIT zwiększyły jednak liczbę znanych gwiazdożerczych incydentów ponad dwukrotnie.

Okazuje się, że poza obserwowanymi wcześniej rozbłyskami w zakresie optycznym i rentgenowskim procesy rozrywania pływowego gwiazd prowadzą do silnej emisji w podczerwieni, szczególnie w obfitych w pył galaktykach, w których centralna czarna dziura jest już wcześniej otoczona galaktycznym dyskiem pylistych pozostałości.

Pył obecny w galaktykach zwykle pochłania i skutecznie zasłania przed nami ich światło i promieniowanie rentgenowskie, zatem skrywa na tych falach także możliwe przypadki rozrywania pływowego. Jednak ten sam pył także łatwo się nagrzewa, a wówczas może emitować możliwe do wykrycia fale podczerwone. Mogą one służyć jako marker, czyli wzorzec charakterystyczny przypadków rozrywania pływowego gwiazd.

Nieznane wcześniej przypadki pożerania gwiazd przez czarne dziury ujawniono właśnie dzięki rozszerzeniu poszukiwań na nowy zakres: fale podczerwone. Naukowcy przeszukali archiwalne obserwacje wykonane w nim przez satelitę NEOWISE z pomocą specjalnego algorytmu opracowanego przez jednego z autorów pracy, Kishalaya De. Algorytm wyszukiwał wzorce emisji, które wyglądały jak chwilowe rozbłyski w podczerwieni.

Znalezione wzorce porównano następnie z katalogiem położeń na niebie wszystkich galaktyk w promieniu 600 milionów lat świetlnych od Słońca. Udało się przypisać je do około 1000 galaktyk. Po dalszych analizach i wyeliminowaniu innych znanych przyczyn przejściowej emisji podczerwonej ostateczna liczba dopasowań wskazujących na sygnały faktycznie generowane w pływowym niszczeniu gwiazd przez galaktyczne czarne dziury spadła do 18.

18 nowych zdarzeń TDE miało miejsce w wielu typach galaktyk, rozrzuconych dodatkowo po całym niebie. Dowodzi to, że czarne dziury mogą rozrywać gwiazdy w bardzo różnych galaktykach, a nie tylko – jak wcześniej podejrzewano – tych, które niegdyś intensywnie produkowały nowe gwiazdy, a obecnie są już pod tym względem spokojne. Procesy rozrywania pływowego są najwyraźniej powszechne we Wszechświecie.

Nowe znaleziska rozwiązują też problem brakującej energii. Długo uważano, że rozrywanie pływowe gwiazd powinno prowadzić do emisji znacznie większych ilości energii niż udało się zaobserwować. Zespół z MIT wyjaśnia, że to właśnie galaktyczny pył jest odpowiedzialny za tę rozbieżność, bo skutecznie pochłania, a więc skrywa przed nami "brakującą energię" w zakresie fal światła widzialnego, ultrafioletowych i rentgenowskich.

A jak często czarna dziura zjada gwiazdę? Nowe dane pomogły w oszacowaniu tej liczby. Zdaniem zespołu galaktyka doświadcza takich zaburzeń pływowych raz na 50 tysięcy lat. Wartość ta jest też w zgodzie z wcześniejszymi przewidywaniami teoretycznymi. Wyniki dają nadzieję na dalsze doprecyzowanie tej częstotliwości, jak i określenie właściwości czarnych dziur mających tendencję do gwiezdnego kanibalizmu. To zapewne dopiero początek – odkrycia z MIT otwierają zupełnie nowy sposób poszukiwań i badań pożywiających się, galaktycznych czarnych dziur.

Publikacja opisująca badania: Megan Masterson et al., A New Population of Mid-infrared-selected Tidal Disruption Events: Implications for Tidal Disruption Event Rates and Host Galaxy Properties, The Astrophysical Journal (2024), DOI: 10.3847/1538-4357/ad18bb

Więcej informacji: https://news.mit.edu/2024/astronomers-spot-eighteen-black-holes-gobbling-nearby-stars-0129