Mechanizm ucieczki. Jak czarna dziura wydostaje się z galaktyki?
Teoretyczne podstawy zjawiska sięgają lat 60. ubiegłego wieku, kiedy to nowozelandzki matematyk Roy Kerr opracował rozwiązanie równań Einsteina opisujące wirujące czarne dziury. Jego praca wykazała, że te obiekty można opisać zaledwie trzema parametrami: masą, spinem (momentem pędu) i ładunkiem elektrycznym. Kluczowy jest tu spin. Okazuje się, że nawet 29% całkowitej masy czarnej dziury może być zamknięte w energii jej rotacji. To kolosalna rezerwa energii. Roger Penrose już pół wieku temu teoretyzował, iż tę energię można by wydobyć. Praktyczny mechanizm uruchamia się, gdy dwie wirujące czarne dziury zderzają się ze sobą. W trakcie tego procesu, trwającego zaledwie ułamki sekund, uwalniana jest ogromna ilość energii w postaci fal grawitacyjnych.
Czytaj też: Teleskop Webba rozwikłał zagadkę czerwonych kropek. To nowy typ czarnych dziur
Jeśli fale te nie są emitowane symetrycznie we wszystkich kierunkach – a tak często bywa, gdy osie spinów zderzających się obiektów są odpowiednio ustawione – nowo powstała czarna dziura doznaje potężnego „odrzutu”. Działa tu prosta zasada działania i reakcji, podobna do tej w rakietach. Taki kopniak może wystarczyć, by obiekt o masie miliony razy większej od Słońca uzyskał prędkość tysięcy kilometrów na sekundę, co pozwala mu opuścić grawitacyjne więzy macierzystej galaktyki.
Dowód w postaci smug
Sam pomysł był imponujący, acz brakowało twardych dowodów. Sytuacja zaczęła się zmieniać wraz z uruchomieniem detektorów fal grawitacyjnych LIGO i Virgo. Dzięki nim usłyszeliśmy „dzwonienie” łączących się czarnych dziur, czyli charakterystyczny sygnał, którego analiza ujawniała ich właściwości, w tym spin. Obserwacje potwierdziły, że część par czarnych dziur ma przeciwne spiny, co jest idealną konfiguracją do generowania silnego odrzutu. Bezpośredni obraz pojawił się jednak dopiero przy pomocy teleskopów. Poszukiwanym tropem stały się tajemnicze, długie i niesamowicie proste smugi młodych, jasnych gwiazd, ciągnące się przez dziesiątki tysięcy lat świetlnych. Powstają one, gdy supermasywna czarna dziura, pędząc przez obłoki gazu międzygwiazdowego, ściska go swoją grawitacją, zapalając na swej drodze nowe gwiazdy. To kosmiczny odpowiednik smugi kondensacyjnej za samolotem.
Czytaj też: Kometa 3I/ATLAS z niewiarygodnie geometrycznymi smugami. Powracają pytania o obcych
W ubiegłym roku opublikowano kilka przełomowych prac. Jedna z nich, pod kierunkiem Pietera van Dokkuma z Yale, opisuje obserwacje bardzo odległej galaktyki wykonane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Astronomowie zobaczyli przy niej jasną smugę o długości około 200 000 lat świetlnych. Analiza sugeruje, jakoby zostawiła ją czarna dziura o masie około 10 milionów mas Słońca, poruszająca się z prędkością bliską 1000 km/s. Inne badanie skupiło się na galaktyce NGC 3627, którą przecina prosta, mająca 25 000 lat świetlnych długości struga gwiazd. Jej źródłem jest prawdopodobnie uciekinier o masie około 2 milionów mas Słońca, mknący z prędkością 300 km/s. To bezpośredni, wizualny dowód na istnienie tego zjawiska.
Czy mamy się czego obawiać? Ryzyko, że taka wędrowna czarna dziura zawita do Układu Słonecznego, jest praktycznie zerowe. Przestrzeń kosmiczna jest niezmiernie, niewyobrażalnie pusta. Odkrycie ma za to fundamentalne znaczenie dla zrozumienia ewolucji galaktyk. Ucieczka supermasywnej czarnej dziury z centrum galaktyki musiałaby mieć głęboki wpływ na jej dalsze losy, być może hamując procesy gwiazdotwórcze. To pokazuje, jak gwałtowne i energetyczne procesy kształtują wszechświat.