Artykuł ten został pierwotnie opublikowany pod adresem Rozmowa. Publikacja przyczyniła się do powstania artykułu na stronie Space.com Głosy ekspertów: op-ed i spostrzeżenia.
W zeszłym roku astronomowie byli zafascynowani uciekająca asteroida przejazd przez nasze układ słoneczny skądś daleko stąd. Poruszał się z prędkością około 68 kilometrów na sekundę, nieco ponad dwukrotnie większą niż prędkość Ziemi wokół Słońca.
Wyobraź sobie, że byłoby to coś znacznie większego i szybszego: czarna dziura poruszająca się z prędkością ponad 3000 km na sekundę. Nie spodziewalibyśmy się tego, dopóki jego intensywne siły grawitacyjne nie zaczęły uderzać w orbity planet zewnętrznych.
Może to zabrzmieć nieco absurdalnie, ale w zeszłym roku zebrało się kilka dowodów, które pokazują, że taki gość nie jest niemożliwy. Astronomowie zaobserwowali wyraźne oznaki ucieczki supermasywne czarne dziury przedzierając się przez inne galaktyki i odkryły dowody na to, że mniejsze, niewykrywalne uciekinierzy prawdopodobnie też tam są.
Uciekające czarne dziury: teoria
Historia zaczyna się w latach sześćdziesiątych XX wieku, kiedy nowozelandzki matematyk Roy Kerr znalazł rozwiązanie Einsteina ogólna teoria względności równania, które opisałem wirujące czarne dziury. Doprowadziło to do dwóch kluczowych odkryć na temat czarnych dziur.
Po pierwsze, „twierdzenie o braku włosów“, co mówi nam, że czarne dziury można rozróżnić jedynie na podstawie trzech właściwości: masy, spinu i ładunku elektrycznego.
W drugim przypadku musimy pomyśleć o słynnym wzorze Einsteina mi = mc², co mówi, że energia ma masę. W przypadku czarnej dziury rozwiązanie Kerra mówi nam, że aż 29% masy czarnej dziury może mieć postać energii rotacyjnej.
Angielski fizyk Roger Penrose wywnioskowano 50 lat temu że energia rotacyjna czarnych dziur może zostać uwolniona. Wirująca czarna dziura przypomina baterię zdolną do uwalniania ogromnych ilości energii spinowej.
Czarna dziura może zawierać około 100 razy więcej możliwej do wydobycia energii niż gwiazda o tej samej masie. Jeśli para czarnych dziur połączy się w jedną, duża część tej ogromnej energii może zostać uwolniona w ciągu kilku sekund.
Zrozumienie, co się dzieje, gdy dwie wirujące czarne dziury zderzają się i łączą, tworząc fale grawitacyjne, zajęło dwie dekady żmudnych obliczeń superkomputerowych. W zależności od tego, jak wirują czarne dziury, energia fal grawitacyjnych może zostać uwolniona znacznie silniej w jednym kierunku niż w innych, co powoduje, że czarne dziury wystrzeliwują niczym rakieta w przeciwnym kierunku.
Jeśli spiny dwóch zderzających się czarnych dziur są ustawione we właściwy sposób, końcową czarną dziurę można napędzać rakietą do prędkości tysięcy kilometrów na sekundę.
Uczenie się na prawdziwych czarnych dziurach
Wszystko to była teoria, dopóki obserwatoria fal grawitacyjnych LIGO i Virgo nie zaczęły wykrywać trzasków i ćwierkań fal grawitacyjnych emitowanych przez pary zderzających się czarnych dziur w 2015 roku.
Jednym z najbardziej ekscytujących odkryć były „ringdowny” czarnych dziur: przypominające kamerton dzwonienie nowo powstałych czarnych dziur, które mówi nam o ich wirowaniu. Im szybciej się obracają, tym dłużej dzwonią.
Coraz lepsze obserwacje łączących się czarnych dziur ujawniły, że niektóre pary czarnych dziur mają losowo zorientowane osie obrotu, a wiele z nich ma bardzo dużą energię spinu.
Wszystko to sugerowało, że uciekające czarne dziury są realną możliwością. Poruszanie się o 1%. prędkość światłaich trajektorie w przestrzeni nie będą przebiegać po zakrzywionych orbitach gwiazd w galaktykach, ale będą prawie proste.
Uciekające czarne dziury wykryte na wolności
To prowadzi nas do ostatniego kroku w naszej sekwencji: faktycznego odkrycia uciekające czarne dziury.
Poszukiwanie stosunkowo małych, uciekających czarnych dziur jest trudne. Jednak uciekająca czarna dziura o masie miliona lub miliarda mas Słońca spowoduje ogromne zakłócenia w otaczających ją gwiazdach i gazie podczas podróży przez galaktykę.
Przewiduje się, że pozostawią po sobie smugi kondensacyjne gwiazd, tworzące się z gazu międzygwiazdowego w taki sam sposób, w jaki smugi kondensacyjne z chmur powstają w ślad za odrzutowcem. Gwiazdy powstają z zapadającego się gazu i pyłu przyciąganego przez przechodzącą czarną dziurę. Jest to proces, który będzie trwał dziesiątki milionów lat, gdy uciekająca czarna dziura przecina galaktykę.
W 2025 roku w kilku artykułach pokazano zdjęcia zaskakująco prostych smug gwiazd w galaktykach, takie jak zdjęcie poniżej. Wydaje się, że są to przekonujące dowody na istnienie uciekających czarnych dziur.
W jednym z artykułów, kierowanym przez astronoma z Yale Pietera van Dokkuma, opisano bardzo odległą galaktykę sfotografowaną przez teleskop Jamesa Webba z zaskakująco jasną smugą kondensacyjną Długość 200 000 lat świetlnych. Smuga kondensacyjna pokazała efekty ciśnienia oczekiwane w wyniku grawitacyjnej kompresji gazu podczas przelotu czarnej dziury: w tym przypadku sugeruje to czarną dziurę o masie 10 milionów mas Słońca, poruszającą się z prędkością prawie 1000 km/s.
Inny opisuje długi prosty ślad przecinając galaktykę zwaną NGC3627. Jest to prawdopodobnie spowodowane czarną dziurą o masie około 2 milionów mas Słońca, poruszającą się z prędkością 300 km/s. Jego smuga kondensacyjna ma długość około 25 000 lat świetlnych.
Jeśli istnieją te niezwykle masywne uciekinierzy, to samo powinno mieć miejsce w przypadku ich mniejszych kuzynów, ponieważ obserwacje fal grawitacyjnych sugerują, że niektóre z nich łączą się z przeciwstawnymi spinami niezbędnymi do wytworzenia potężnych kopnięć. Prędkości są wystarczająco duże, aby mogły podróżować między galaktykami.
Zatem uciekające czarne dziury przedarające się przez galaktyki i pomiędzy nimi są nowym składnikiem naszego niezwykłego wszechświata. Nie jest wykluczone, że ktoś mógłby pojawić się w naszym Układzie Słonecznym, co mogłoby mieć katastrofalne skutki.
Nie powinniśmy spać z powodu tego odkrycia. Szanse są znikome. To po prostu kolejny sposób, w jaki historia naszego wszechświata stała się nieco bogatsza i nieco bardziej ekscytująca niż wcześniej.
