Odnaleziono najstarszą czarną dziurę, jaką kiedykolwiek zaobserwowano, datowaną na początek wszechświata

Nowe obserwacje są niewidoczne, ponieważ światło nie wydostaje się z czarnej dziury, ale astronomowie wykryli charakterystyczne oznaki jej dysku akrecyjnego, czyli halo gazu i pyłu, które szybko wirują wokół niej.

Nowe, niezwykłe odkrycie

Astronomowie odkryli najstarszą czarną dziurę, jaką kiedykolwiek zaobserwowano, sięgającą ponad 13 miliardów lat wstecz do początków wszechświata.

Obserwacje przeprowadzone przez kosmiczny teleskop Jamesa Webba (JWST) ujawniły, że znajduje się ona w sercu galaktyki 440 milionów lat po wielkim wybuchu. Przy masie około miliona razy większej od masy Słońca, jest zaskakująco duża jak na małą czarną dziurę, co rodzi pytanie, w jaki sposób tak szybko urosła.

Prof. Roberto Maiolino, astrofizyk z Uniwersytetu w Cambridge, który kierował obserwacjami, powiedział: „Zaskoczeniem jest to, że jest tak bardzo masywna. Tego się nie spodziewaliśmy”.

Obserwacje, opublikowane w wydrukach wstępnych na stronie Arxiv, nie zawierają dokładnych fotografii, a sama dziura jest niewidoczna, ponieważ żadne światło nie może wydostać się z jej uścisku. Astronomowie wykryli jednak charakterystyczne oznaki jej dysku akrecyjnego, czyli halo gazu i pyłu, które szybko wirują wokół kosmicznej dziury.

Jak powstają czarne dziury?

Astronomowie uważają, że najwcześniejsze czarne dziury mogą pomóc w rozwiązaniu zagadki, w jaki sposób ich gigantyczne odpowiedniki w centrum galaktyk, takich jak Droga Mleczna, urosły do miliarda razy większej masy niż Słońce. Do niedawna zakładano, że przez prawie 14 miliardów lat rosły one niczym kula śnieżna, stale powiększając się w wyniku fuzji oraz pożerania gwiazd i innych obiektów. Scenariusz kuli śnieżnej nie może jednak w pełni tłumaczyć epickich rozmiarów współczesnych supermasywnych czarnych dziur.

Najnowsze obserwacje galaktyki o nazwie GN-z11 przesuwają początki tej tajemnicy z powrotem do okresu niemowlęctwa czarnych dziur i sugerują, że albo urodziły się one duże, albo bardzo szybko urosły.

„Zrozumienie, skąd w ogóle wzięły się czarne dziury, zawsze było zagadką, ale teraz ta zagadka wydaje się jeszcze trudniejsza niż wcześniej” - twierdzi prof. Andrew Pontzen, kosmolog z University College London, który nie brał udziału w badaniach. „Wyniki te, wykorzystujące moc JWST do spojrzenia wstecz, sugerują, że niektóre czarne dziury rosły w oszałamiającym tempie w młodym wszechświecie, znacznie szybciej niż się spodziewaliśmy”.
 

Jedno z wyjaśnień, znane jako scenariusz ciężkich ziaren, zakłada, że wczesna generacja czarnych dziur narodziła się w wyniku bezpośredniego zapadania się ogromnych chmur gazu, a nie z wypalonych gwiazd, które zapadły się pod wpływem własnej grawitacji pod koniec swojego życia. Inną możliwością jest to, że zwarte skupiska gwiazd i czarnych dziur bardzo szybko połączyły się we wczesnym Wszechświecie.

Trzecią, bardziej spekulatywną hipotezą jest istnienie tak zwanych pierwotnych czarnych dziur, które powstały podczas kosmicznej inflacji, czyli okresu szybszej niż światło ekspansji wszechświata, która nastąpiła ułamek sekundy po wielkim wybuchu.

To wywróciłoby do góry nogami zakładany porządek gry, w którym galaktyki pojawiły się jako pierwsze, a następnie zaczęły w nich rosnąć czarne dziury. Pierwotne czarne dziury byłyby w takim wypadku skutecznie wplecione w tkankę kosmosu od samego początku.

„Jeśli to prawda, ponosiłoby to za sobą znaczące konsekwencje dla początkowego ułamka sekundy naszego wszechświata” - powiedział Pontzen. „Tak czy inaczej, historia o tym, jak czarne dziury i galaktyki dorastały razem, jest fascynująca i dopiero zaczynamy ją składać w całość”.

Wspomniane rewelacje są zaledwie ułamkiem z oszałamiających odkryć dokonanych przez obserwatorium kosmiczne NASA zaledwie dwa lata po jego uruchomieniu. JWST jest około 100 razy bardziej czuły niż poprzednie teleskopy, takie jak Hubble, w wykrywaniu światła podczerwonego, części widma używanej do oglądania najbardziej odległych obiektów. „Jest to zasadniczo odpowiednik modernizacji teleskopu Galileusza do nowoczesnego teleskopu. To 400 lat odkryć potencjalnie skompresowanych w erze działania JWST” - mówi Maiolino.

Twierdzi on też, że przed uruchomieniem teleskopu istniała możliwość, że otworzy się nowe okno na „nudne rozszerzenie tego, co wiemy”. „To nie tylko to, co możemy zobaczyć” - mówi Maiolino. „Wszechświat jest dość hojny. Naprawdę znajdujemy rzeczy, których się nie spodziewaliśmy”.

Czym są czarne dziury?

Czarne dziury to jedne z najdziwniejszych i najbardziej tajemniczych obiektów we wszechświecie. Mają tak silną grawitację, że ani materia, ani światło nie mogą uciec z ich uścisku. Granicę czarnej dziury wyznacza jej horyzont zdarzeń, czyli punkt, z którego nie ma powrotu. Wszystko, co przekroczy tę granicę, przepada na dobre.

Są one trudne do zbadania, ponieważ są zasadniczo niewidoczne, ale zastosowanie praw fizyki oferuje nam pewne niespodziewane spostrzeżenia. Przy zbliżaniu się do czarnej dziury gradient grawitacyjny może być tak ekstremalny, że obiekty mogą zostać rozciągnięte w procesie znanym jako spaghettyzacja. Na horyzoncie zdarzeń grawitacja jest tak silna, że światło zakrzywia się w idealnej pętli wokół czarnej dziury, co oznacza, że gdyby ktoś tam stanął, byłby w stanie zobaczyć tył własnej głowy.

Nie wiadomo jednak, co znajduje się poza horyzontem zdarzeń. Ogólna teoria względności Einsteina sugeruje, że w centrum czarnej dziury gęstość stałaby się nieskończona, tworząc w ten sposób osobliwość grawitacyjną. To pęknięcie w czasoprzestrzeni nie miałoby miejsca ani czasu i znajdowałoby się poza sferą konwencjonalnych praw fizyki. Nie jest jednak jasne, czy takie osobliwości faktycznie istnieją.

Czarne dziury występują w różnych rozmiarach. Gwiezdne czarne dziury, powstałe z pozostałości masywnych gwiazd, mogą być nawet 20 razy masywniejsze od naszego Słońca. Supermasywne czarne dziury, takie jak Sagittarius A* w centrum Drogi Mlecznej, mogą mieć masę odpowiadającą milionom lub miliardom Słońc i odgrywają kluczową rolę w ewolucji galaktyk.

Astronomowie poczynili znaczne postępy w obserwacjach czarnych dziur w ciągu ostatniej dekady, z pierwszym obrazem ich halo uchwyconym przez teleskop Event Horizon w 2019 r. oraz obserwacjami kataklizmicznych połączeń czarnych dziur poprzez wykrywanie fal grawitacyjnych wysyłanych przez czasoprzestrzeń. Najnowsze obserwacje i jeszcze bardziej odległe cele Jamesa Webba zaczną układać w całość pochodzenie tych enigmatycznych obiektów.