Pośrednie czarne dziury?

Końcowym etapem życia ciężkich gwiazd (tj. o masach bardzo znacznie przewyższających masę słońca) jest powstanie czarnych dziur. Zarówno teoria jak i obserwacje przewidują typowy zakres ich mas od kilku do kilkunastu mas słońca. Z drugiej strony, czarne dziury o masach od miliona do miliarda mas słońca są powszechnie obserwowane w centrach galaktyk (np. czarna dziura o masie 3 mln mas słońca w centrum naszej Galaktyki), chociaż szczegóły ich powstania nie są dobrze zrozumiane.

Istnienie czarnych dziur o masach pośrednich pomiędzy powyższymi dwoma kategoriami było od szeregu lat przedmiotem kontrowersji. Argumentu za ich istnieniem dostarczały obserwacje bardzo jasnych źródeł promieniowania rentgenowskiego (tzw. ultraluminous X-ray sources, ULX) w pobliskich galaktykach, ale w dużych odległościach od ich centrów (gdzie by mogły być wytłumaczone przez spadek materii na centralne supermasywne czarne dziury), np. w tzw. ramionach spiralnych. Rys. 1 pokazuje populację źródeł ULX w galaktyce M82. Ich jasności znacznie przewyższają jasności obserwowane ze spadku materii na czarne dziury o gwiazdowym pochodzeniu jak też teoretyczne ograniczenie na tę jasność związane z ciśnieniem promieniowania tak dużym, że będącym w stanie powstrzymać dalszy spadek materii na obiekt (odkryte przez sir Artura Eddingtona w latach dwudziestych). Źródła typu ULX spełniałyby ograniczenie Eddingtona jeśli ich masy wynosiły co najmniej kilkadziesiąt do kilkuset mas słońca.

Taka interpretacja budziła jednak gwałtowny sprzeciw wielu naukowców. Wskazywano na brak ewolucyjnej drogi prowadzącej do takich mas. Proponowano zamiast tego silną anizotropię promieniowania. Jeżeli źródło promieniuje głównie w naszym kierunku, jego całkowita jasność będzie znacznie mniejsza od jasności obliczonej przy założeniu promieniowania równomiernego we wszystkich kierunkach. Taka anizotropia była jednak w sprzeczności z obserwacjami okolic źródeł ULX, wskazującymi na izotropię ich promieniowania. Proponowano też, że źródła te są w jakiś sposób w stanie emitować znacznie powyżej granicy Eddingtona, co poza pojawiającymi się wtedy trudnościami teoretycznymi nie zgadza się z obserwacjami źródeł w naszej Galaktyce, które w ogólności nie świecą znacznie powyżej tej granicy.

Kliknij, aby powiększyć
Rys. 1. Obraz galaktyki M82 uzyskany przez kosmiczne obserwatorium Chandra. Jasne punkty pokazują populację bardzo silnych źródeł promieniowania rentgenowskiego. Ich emisja jest najprawdopodobniej wynikiem akrecji materii o czarne dziury o pośrednich masach. Kliknij aby powiększyć.

Nowa praca S. Portegies Zwart i in. w Nature (2004, tom 428, str. 724; komentarz N. McCrady, str. 704) rozwiązuje problem braku ewolucyjnego sposobu otrzymania czarnych dziur o pośrednich masach. Analiza autorów opiera się na fakcie, że źródła typu ULX znajdują się w obszarach, gdzie zachodzi gwałtowne tworzenie nowych gwiazd. Ich szczegółowe obliczenia pokazują, że ciężkie gwiazdy (o masach rzędu 100 mas słońca) mogą spadać do centrum takiej gromady młodych gwiazd, w wyniku grawitacyjnego tarcia. W pobliżu centrum ciężkie gwiazdy będą się zderzały pomiędzy sobą, tworząc supergwiazdę o masie rzędu 1000 mas słońca. Gwiazda taka ma jednak bardzo krótki czas życia i szybko zapada się tworząc masywną czarną dziurę. Ona z kolei może złapać w swoje pole grawitacyjne inną gwiazdę, tworząc układ podwójny emitujący obserwowane promieniowanie rentgenowskie typu ULX.

Autorzy badają warunki, które musi spełniać gromada młodych gwiazd aby powstała taka supergwiazda (zamieniająca się szybko w czarną dziurę). Pokazują, że ich teoretyczne przewidywania zgadzają się z obserwacjami (m.in. przez satelitę Chandra) źródeł ULX z obszarów gwiazdowych spełniających te warunki, oraz brakiem takich źródeł w gromadach gwiazd nie spełniających tych warunków.

Tak więc praca w Nature przechyla szalę w stronę bezpośredniej interpretacji obserwacji bardzo jasnych źródeł rentgenowskich, jako pochodzących z układów zawierających czarne dziury o pośrednich masach. Można tu wspomnieć uprzednie kontrowersje dotyczące istnienia czarnych dziur o „zwykłych” gwiazdowych masach, np. zakład, w którym Stephen Hawking przegrał roczną prenumeratę miesięcznika Penthouse do Kipa Thorne’a po przyznaniu, że źródło Cygnus X-1 zawiera jednak czarną dziurę a nie gwiazdę neutronową.

19 kwietnia 2004
 Andrzej Zdziarski

Liczba odsłon: 891