Astronomowie dokonali naprawdę zadziwiającego odkrycia za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST): uciekającej czarnej dziury 10 milionów razy większej od Słońca, pędzącej przez przestrzeń kosmiczną z zawrotną prędkością 2,2 miliona mil na godzinę (1000 kilometrów na sekundę).
To nie tylko sprawia, że jest to pierwsza potwierdzona uciekająca supermasywna czarna dziura, ale obiekt ten jest także jednym z najszybciej poruszających się ciał, jakie kiedykolwiek wykryto, przelatującym przez swój dom, parę galaktyk zwanych „Kosmiczna Sowa”, z prędkością 3000 razy większą od prędkości dźwięku na poziomie morza tutaj, na Ziemi. Jeśli to nie jest wystarczająco zdumiewające, czarna dziura wypycha przed sobą dosłownie „wstrząs łukowy” materii wielkości galaktyki, jednocześnie ciągnąc za sobą ogon o długości 200 000 lat świetlnych, w którym gromadzi się gaz i powoduje powstawanie gwiazd.
Supermasywne czarne dziuryktóre mogą osiągnąć masę miliardów mas Słońca, zwykle znajdują się w sercach swoich macierzystych galaktyk, nad którymi dominują dzięki ogromnej grawitacji. Niesamowita prędkość tej supermasywnej czarnej dziury oznacza, że znajduje się ona około 230 000 lat świetlnych od punktu początkowego.
„To jedyna czarna dziura, którą odkryto daleko od swojego dawnego domu” – powiedział van Dokkum. „To uczyniło go najlepszym kandydatem [for a] uciekającą supermasywną czarną dziurę, ale brakowało potwierdzenia. Tak naprawdę mieliśmy tylko passę, którą trudno było wytłumaczyć w inny sposób. Dzięki JWST potwierdziliśmy teraz, że na końcu pasma rzeczywiście znajduje się czarna dziura, która szybko oddala się od swojego byłego gospodarza.”
Jak rozpoznać uciekającego
Ta obecnie potwierdzona niekontrolowana supermasywna czarna dziura istniała po raz pierwszy zidentyfikowany przez van Dokkuma i współpracowników w 2023 r. za pomocą Kosmiczny Teleskop Hubble’a, który zauważył coś, co wyglądało na ślad masywnego ciała przelatującego przez przestrzeń. Oczywiście, podobnie jak wszystkie czarne dziury, ta ucieczka jest ograniczona jednokierunkową powierzchnią zatrzymującą światło, zwaną horyzontem zdarzeń, co utrudnia jej dostrzeżenie.
„Czarna dziura jest, cóż, czarna – i bardzo trudno ją wykryć, gdy porusza się przez pustą przestrzeń. Powodem, dla którego zauważyliśmy ten obiekt, jest wpływ, jaki przejście czarnej dziury wywiera na jej otoczenie: teraz wiemy, że wywołuje ona falę uderzeniową w przepływającym przez nią gazie i to właśnie tę falę uderzeniową oraz ślad fali uderzeniowej za czarną dziurą widzimy” – powiedział van Dokkum. „Dzięki JWST odkryliśmy ogromne przemieszczenie gazu na końcu śladu, w miejscu, w którym napiera na niego czarna dziura. Sygnatury wstrząsów są krystalicznie wyraźne i nie ma po prostu wątpliwości co do tego, co się tutaj dzieje”. Gaz jest wypychany na boki od supermasywnej czarnej dziury z prędkością setek tysięcy mil na godzinę (setek km na sekundę), co jest dynamiczną sygnaturą zaobserwowaną przez zespół za pomocą JWST.
„Prędkość wypartego gazu jest bezpośrednio powiązana z prędkością czarnej dziury i w ten sposób określiliśmy prędkość czarnej dziury na podstawie danych JWST” – powiedział van Dokkum. „Porusza się z prędkością około 1000 km na sekundę, czyli szybciej niż jakikolwiek inny obiekt we wszechświecie. To właśnie ta duża prędkość umożliwiła czarnej dziurze uciec przed siłą grawitacji swojego dawnego domu”.
W jaki sposób supermasywna czarna dziura „zmienia się”?
van Dokkum wyjaśnił, że dwa możliwe mechanizmy mogą doprowadzić do wyrzucenia supermasywnej czarnej dziury z serca własnej galaktyki. Obydwa scenariusze rozpoczynają się, gdy dwie galaktyki zderzają się i zaczynają łączyć, a każda z nich wnosi do kosmicznego rozbicia swoją własną supermasywną czarną dziurę. Obydwa mechanizmy są inicjowane, gdy supermasywne czarne dziury docierają do centrum nowo powstałej galaktyki.
„Pierwszy mechanizm polega na tym, że dwie czarne dziury łączą się ze sobą i że powstaje promieniowanie grawitacyjne [gravitational waves] uwolnione w wyniku tego połączenia, dają potężnego kopa nowo powstałej czarnej dziurze. To kopnięcie mogłoby nadać prędkość 1000 km/s, wystarczającą do wyrzucenia czarnej dziury” – powiedział van Dokkum. „Druga interakcja to interakcja trzech ciał. Dzieje się tak, gdy jedna z dwóch galaktyk ma parę podwójne czarne dziury w jego centrum. Kiedy trzecia czarna dziura dostanie się do układu podwójnego, stanie się niestabilna, a jedna z trzech czarnych dziur zostanie wyrzucona z układu.”
Zespół uważa, że w tym przypadku jest to pierwszy scenariusz wyjaśniający ucieczkę supermasywnej czarnej dziury. Prowadziłoby to do powstania galaktyki pozbawionej supermasywnej czarnej dziury w jej centrum, co według van Dokkuma prawdopodobnie nie będzie miało dużego wpływu na tę galaktykę. Jednakże ta uciekająca supermasywna czarna dziura może mieć ogromny wpływ na każdą inną galaktykę, którą napotka podczas lotu rakietą w przestrzeni kosmicznej.
„Spotkanie z inną galaktyką byłoby dość spektakularne, głównie ze względu na ogromną falę uderzeniową wielkości galaktyki, która poprzedza czarną dziurę” – kontynuował van Dokkum. „Kiedy ta fala uderzeniowa napotka gęsty gaz innej galaktyki, skompresuje i wstrząsnie tym gazem, co prawdopodobnie doprowadzi do powstania wielu nowych gwiazd. Byłoby to niezłe widowisko!”
Na szczęście galaktyki dwupierścieniowe tworzące Kosmiczną Sowę znajdują się w odległości około 9 miliardów lat świetlnych, co oznacza, że nawet gdyby ten uciekający kosmiczny tytan zmierzał w naszą stronę, nie musimy się martwić, że do nas dotrze.
Łączenie się galaktyk jest zjawiskiem powszechnym i zdarza się wielokrotnie w ciągu życia pojedynczej galaktyki. Oznacza to, że wyrzucane supermasywne czarne dziury również mogą być dość powszechne, chociaż liczba populacji różni się w zależności od sposobu modelowania tych zderzeń.
„Połączenia zdarzają się często w życiu galaktyk; każda galaktyka o rozmiarach i masie Drogi Mlecznej doświadczyła ich kilku w ciągu swojego życia. Zatem układy podwójne czarnych dziur powinny tworzyć się dość regularnie. Nie wiemy, jak szybko te układy podwójne łączą się, jeśli w ogóle, i jak często powstałe w ten sposób kopnięcie usuwa czarną dziurę” – powiedział van Dokkum. „Mój pogląd jest empiryczny: teraz, gdy wiemy, jak ich szukać, możemy znaleźć inne przykłady – a następnie możemy odpowiedzieć na pytanie bezpośrednio na podstawie danych, licząc liczbę ucieczek. Najważniejsze jest to, że ucieczki czarnych dziur do tej pory odbywały się wyłącznie w sferze teorii”. Chociaż teoria przewidywała uciekające supermasywne czarne dziury na długo przed tym, zanim to odkrycie potwierdziło ich istnienie, nie oznacza to, że odkrycia te nie przyniosły nieoczekiwanych zwrotów akcji.
„Wszystko w tych badaniach mnie zaskoczyło! Nigdy nie spodziewałem się zobaczyć czegoś takiego, a potwierdzenie tego za pomocą JWST było po prostu niesamowite” – powiedział van Dokkum. „Nie do końca doceniliśmy także wpływ, jaki te uciekające czarne dziury wywierają na gaz, przez który się poruszają. W rezultacie z szoku gazu utworzyło się wiele nowych gwiazd o masie około 100 milionów razy większej od masy Słońca. Ten sposób powstawania gwiazd był wcześniej nieznany i prowadzi do szlaku gwiazd oddalonych od galaktyki, pozornie powstałych w pustej przestrzeni”.
Badacz z Uniwersytetu Yale wyjaśnił, że oczywistym następnym krokiem zespołu będzie poszukiwanie większej liczby przykładów czarnych dziur na pasach startowych.
„Aby je zobaczyć, potrzebne są zdjęcia kosmiczne: ślad był dla nas wyjątkowy, ponieważ jest tak cienką smugą, a na zdjęciach naziemnych byłby nie do poznania rozmazany” – wyjaśnił van Dokkum. „Na szczęście szerokokątne obrazowanie o jakości Hubble’a jest już blisko, dzięki Rzymskiemu Teleskopowi Kosmicznemu i nieco bardziej rozmytemu Euclidowi. Wykorzystanie algorytmów uczenia maszynowego do znajdowania cienkich smug w rzymskich danych będzie fajnym projektem!”
Wyniki badań zespołu zostały przesłane do czasopisma „The Astrophysical Journal Letters” i są obecnie dostępne jako wstępnie zrecenzowany artykuł na temat arXiv.
