Te przełomowe badania nie tylko podają konkretną liczbę, ale także prognozują rozmieszczenie tych niezwykłych obiektów, ich rozmiary, a nawet naturę wybuchów, które je stworzyły. To prawdziwa mapa skarbów dla przyszłych obserwacji, które pozwolą zweryfikować te fascynujące symulacje. Wyniki zostały już przesłane do recenzji w czasopismach AAS i są dostępne na serwerze preprintów arXiv.
Czym są i dlaczego są tak trudne do wykrycia?
Czarne dziury o masie gwiazdowej to nic innego jak pozostałości po masywnych gwiazdach, które dobiegły końca swojego życia. Gdy gwiezdne paliwo jądrowe wyczerpuje się, gwiazda staje się niestabilna i eksploduje, tworząc supernową. Jądro gwiazdy, niepodtrzymywane już przez ciśnienie wynikające z fuzji, zapada się w obiekt tak gęsty, że nawet światło nie jest w stanie uciec z jego pola grawitacyjnego.
Czytaj także: W 1971 roku odkryliśmy pierwszą czarną dziurę. Teraz naukowcy poznali sposób na rozwikłanie jej paradoksu
To stwarza poważny problem dla astronomów. Światło jest naszym podstawowym źródłem informacji o wszechświecie. Jeśli czegoś nie możemy zobaczyć w żadnej długości fali, niezwykle trudno jest to znaleźć, a jeszcze trudniej jest policzyć, ile takich obiektów jest w okolicy. Przez lata było to jedno z największych wyzwań w astrofizyce.
Jak liczono “podziemie” Drogi Mlecznej?
Aby oszacować liczbę ukrytych czarnych dziur, zespół kierowany przez astrofizyka Toma Wagga z Flatiron Institute w USA zastosował innowacyjne podejście. Wykorzystując naszą wiedzę o ewolucji gwiazd, czarnych dziur i galaktyk, naukowcy stworzyli wirtualne Drogi Mleczne. Śledzili miliardy lat formowania się gwiazd, ich śmierci, narodzin czarnych dziur i ewolucji galaktyki, aby oszacować, ile czarnych dziur o masie gwiazdowej powinno istnieć dzisiaj.
Ich praca pokazała, że w ciągu swojej 13,6-miliardowej historii, Droga Mleczna powinna była “odprowadzić” około 170 milionów gwiazd z głównej sekwencji do stanu czarnej dziury. Choć liczba ta wydaje się ogromna, w kontekście rozmiarów naszej galaktyki nie jest to tak dużo, jak mogłoby się wydawać. Zespół obliczył, że w odległości Słońca od centrum galaktyki rozkład czarnych dziur wynosiłby jedną czarną dziurę na 6250 parseków sześciennych – objętość przestrzeni o bokach około 18,4 parseków (1 parsek to 3,26 lat świetlnych).
Czytaj także: Uciekające czarne dziury, czyli koszmar istnieje naprawdę. Naukowcy w końcu mają na to dowody
Historia czasowa jest podobna: 170 milionów czarnych dziur rozłożonych na 13,6 miliarda lat istnienia Drogi Mlecznej daje średnio jedną nową czarną dziurę o masie gwiazdowej co około 80 lat. W rzeczywistości jednak “baby boom” czarnych dziur w Galaktyce miał miejsce znacznie wcześniej, gdy formowanie się gwiazd było znacznie bardziej intensywne niż dziś. Dlatego raczej nie znajdziemy żadnych czarnych dziur czających się w naszym kosmicznym sąsiedztwie.
Gwiezdne kopniaki i galaktyczny balet
Jednak to, co dla wielu może być najbardziej intrygujące w tych badaniach, to dynamika ruchu czarnych dziur. Poprzednie prace sugerowały, że czarne dziury rzadko pozostają tam, gdzie się narodziły. Wiele z nich powstaje w asymetrycznym wybuchu supernowej, który nadaje nowo powstałemu obiektowi to, co astronomowie nazywają “kopnięciem natalnym”, wyrzucając go w przestrzeń galaktyki.
W rzadkich przypadkach kopnięcie jest na tyle energetyczne, że pozwala czarnej dziurze uciec z Drogi Mlecznej, ale zazwyczaj obiekty te po prostu wyruszają w długą podróż wewnątrz galaktyki. To prowadzi do nieco innego rozkładu niż ten, który obserwujemy dla populacji gwiazd.
Cienki dysk gwiazd Drogi Mlecznej ma wysokość około 306 parseków. Dysk czarnych dziur, jak odkrył zespół, ma wysokość około 790 parseków – głównie z powodu wspomnianych “kopnięć natalnych”. Co ciekawe, symulacje sugerują, że najlżejsze czarne dziury przemieszczają się najdalej od płaszczyzny galaktycznej, ponieważ otrzymują najsilniejsze kopnięcia w momencie narodzin. Dzieje się tak, ponieważ wybuchy supernowych, które je tworzą, wyrzucają więcej materii gwiezdnej, co pozwala na silniejszy odrzut, który wysyła nowonarodzoną czarną dziurę w lot. Cięższe czarne dziury, przeciwnie, tworzą się z większą ilością materii spadającej z powrotem na czarną dziurę, co tłumi kopnięcie.
Odcisk przeszłości w kosmosie
To oznacza, że przyszłe obserwacje nie będą jedynie liczyć czarnych dziur. Masy i ruchy tych obiektów mogą ujawnić, jak umarły gwiazdy, które je stworzyły, pomagając astronomom rozróżnić konkurencyjne modele wybuchów supernowych i formowania się czarnych dziur. Jeśli przyszłe badania będą zgodne z przewidywaniami Wagga i jego zespołu, to potwierdzi to symulacje jako potężne narzędzie do zrozumienia ewolucji galaktyk.
Jak zauważają autorzy, obecne położenie i ruch czarnych dziur zachowują w sobie odcisk ich przeszłości. Jeśli przyszłe obserwacje to potwierdzą, ukryte “Galaktyczne Podziemie” Drogi Mlecznej może stać się nieoczekiwanym archiwum historii naszej galaktyki.
