Przepis na czarną dziurę

Galaktyka NGC 922, położona około 157 milionów lat świetlnych od Ziemi, utworzyła się na skutek zderzenia dwóch innych galaktyk. Jedną z nich przedstawia powyższa kompozycja - obraz w promieniach rentgenowskich z obserwatorium orbitalnego Chandra (oznaczony kolorem czerwonym) i obraz optyczny z Teleskopu Hubble'a (na niebiesko, różowo i żółto). Źródło: X-ray (NASA/CXC/SAO/A.Prestwich et al); Optical (NASA/STScI)
Mamy obecnie czas gotowania świątecznych potraw - nierzadko na podstawie sprawdzonych, domowych przepisów. Tymczasem astronomowie zadają sobie inne pytanie - jaki jest najlepszy przepis na czarną dziurę ? Czy inaczej: jaki jest optymalny zestaw składników budujących gwiazdy, by w danym regionie galaktyki utworzyło jak się najwięcej czarnych dziur ?

Problem ten można badać poprzez obserwacje dużej ilości czarnych dziur znajdujących się w galaktykach o różnym składzie. Jedna z tych galaktyk, Galaktyka Pierścień (NGC 922), widoczna jest na powyższym zdjęciu, a właściwie kompozycji danych rentgenowskich z obserwatorium orbitalnego Chandra (barwy czerwone) z danymi optycznymi z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a (róż, błękit i kolor żółty).

NGC 922 uformowała się w wyniku kolizji dwóch galaktyk, z których jedna jest wciąż widoczna na powyższym obrazie, a druga znajduje się poza polem widzenia. To zderzenie wyzwoliło procesy formowania się nowych gwiazd w obszarze rozciągającym się na kształt pierścienia. Pojawiły się tam wówczas bardzo masywne gwiazdy, które ewoluowały i z czasem przeobraziły się właśnie w czarne dziury.

Większość widocznych tu, silnych źródeł rentgenowskich to czarne dziury, pożerające na naszych oczach materię wyrywaną z swoich gwiezdnych towarzyszy - składników układów podwójnych typu czarna dziura plus normalna gwiazda. Siedem z nich stanowi tzw. ULX-y (ang.ultraluminous X-ray sources, ULXs).Najprawdopodobniej są one złożone z "gwiazdowych" czarnych dziur o masach co najmniej 10 mas Słońca. To jedne z największych obserwowanych czarnych dziur, nie należy ich jednak mylić z największymi z nich, czyli tzw. supermasywnymi czarnymi dziurami, znajdywanymi w centrach galaktyk - te są miliony raz bardziej masywne niż Słońce.

Pewne teorie sugeruję, że najbardziej masywne czarne dziury typu gwiazdowego powinny powstawać w środowisku zawierającym stosunkowo niewiele pierwiastków cięższych niż wodór i hel, czyli o niewielkiej metaliczności. W przypadku masywnych gwiazd procesy wydmuchiwania materii gwiazdowej w przestrzeń kosmiczną jest mniej efektywny właśnie wtedy, gdy ich metaliczność jest mała. Zatem gwiazdy te tracą średnio mniej masy na skutek obecności wiatrów gwiazdowych podczas całej swej ewolucji. Zatem w ich przypadku końcowa masa jest większa, zatem zwiększa się szansa na to, że gwiazda taka ostatecznie zapadnie się grawitacyjnie do postaci czarnej dziury, po tym, jak jej paliwo jądrowe ulegnie całkowitemu wyczerpaniu się. Tą teorię zdaje się potwierdzać wykrycie dużej ilości obiektów typu ULX w Galaktyce Cartwheel (Koło Wózka), w której przeciętna metaliczność gwiazd jest bardzo niewielka i stanowi zaledwie 30 % metaliczności Słońca.

Celem dalszego sprawdzenia opisanej wyżej teorii naukowcy zbadali dokładniej galaktykę NGC 922, zawierająca mniej więcej tyle samo pierwiastków metalicznych co nasze Słońce - czyli okołotrzy razy bogatszej w te pierwiastki niż galatyka Cartwheel. Choć to zaskakujące - ilość znalezionych tam ULX-ów jest jednak mniej więcej ta sama. Wydaje się wręcz, że ich obecność zależy przede wszystkim od tempa formowania się gwiazd w obu tych galaktykach, a nie od ich średniej metaliczności.

Jak to jednak wyjaśnić ? Być może przytoczona powyżej hipoteza jest po prostu niepoprawna. Inne wyjaśnienie jest następujące: metaliczność galaktyki Cartwheel jest wciąż nie wystarczająco niska, by spowodować wyraźny efekt wzmożonej produkcji bardzo masywnych gwiazd - zatem nie wzrasta tam aż tak znacząco odsetek zaobserwowanych ULX-ów. Niedawno przedstawione modele ewolucji gwiazd sugerują raczej, że istotny wzrost ilości tego typu układów podwójnych z czarną dziurą może nastąpić dopiero wtedy, gdy metaliczność w galaktyce spadnie poniżej 15% metaliczności Słońca. Astronomowie sprawdzają i tę możliwość - poprzez obserwacje takich właśnie galaktyk przy pomocy teleskopu Chandra.

Liczba odsłon: 1240


Charakterystycznym pierścień otaczający galaktykę Koło Wózka jest wynikiem przejścia przez jej jądro innej, niewielkiej galaktyki. Podobnie jak kamień wrzucony do jeziora, kolizja tego rodzaju spowodowała rozejście się w przestrzeni fali złożonej głównie z gazu i pyłu, co przyczyniło się do narodzin pokolenia młodych gwiazd, widocznych w pierścieniu. Zdjęcie zostało wykonane przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a.