Czarne dziury kojarzą się z czymś odległym i abstrakcyjnym, ale wpływają na działanie GPS w twoim telefonie. Także kształt galaktyk i historię całego kosmosu. Jak w ogóle mogły powstać pierwsze supermasywne czarne dziury, kiedy Wszechświat dopiero się rodził?
Na Światowym Forum Ekonomicznym w Davos nie mówi się tylko o inflacji, sztucznej inteligencji i polityce. W tym roku na scenę wyszła także prof. Priyamvada Natarajan z Yale – teoretyczka zajmująca się kosmologią i czarnymi dziurami i przypomniała słuchaczom coś bardzo niewygodnego: czarne dziury wcale nie są egzotyczną ciekawostką z zamrożonego kosmosu.
To, iż satelity GPS potrafią doprowadzić kierowcę do konkretnego numeru domu, wynika z tych samych równań Einsteina, które opisują czasoprzestrzeń wokół czarnych dziur. Grawitacja zmienia tempo upływu czasu – zegary na wysokości satelitów tykają odrobinę szybciej niż na Ziemi. jeżeli nie poprawimy tego efektu ogólnej teorii względności, błąd w nawigacji rósłby z każdym dniem i system stałby się bezużyteczny.
Czarna dziura jest po prostu ekstremalnym przypadkiem tej samej fizyki: tak dużo masy w tak małej objętości, iż choćby światło nie może uciec. A jednak właśnie te ekstremalne obiekty okazują się ważne do zrozumienia, jak rodziły się pierwsze galaktyki i co naprawdę działo się w pierwszych setkach milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Problem, który nie dawał spać astrofizykom
Dziś wiemy, iż w centrach większości dużych galaktyk, także w Drodze Mlecznej, siedzą supermasywne czarne dziury o masach milionów, a choćby miliardów Słońc. Co więcej, ich masa jest zaskakująco dobrze powiązana z masą i pęcznością gwiazd w galaktyce. To sugeruje, iż ewolucja czarnej dziury i jej macierzystej galaktyki jest ze sobą zrośnięta.
Problem pojawił się wtedy, gdy kolejne teleskopy, a ostatnio przede wszystkim James Webb, zaczęły zaglądać naprawdę daleko, czyli w bardzo wczesne epoki Wszechświata. Te obserwacje pokazały coś, co na pierwszy rzut oka nie ma prawa się wydarzyć. Okazuje się, iż już wtedy, gdy kosmos miał zaledwie kilkaset milionów lat, istnieją w nim czarne dziury o masach rzędu 10 mln-100 mln Słońc.
Czarna dziura powinna rodzić się jako pozostałość po masywnej gwieździe, licząca np. 50 czy 100 mas Słońca. Potem przez setki milionów lat pożera gaz i pył, czasem łączy się z innymi czarnymi dziurami. To powolny, ale konsekwentny przyrost.
Sęk jednak w tym, iż liczby się po prostu nie spinają. jeżeli wystartujemy z tak małych ziaren i damy im tylko kilkaset milionów lat, to choćby przy maksymalnym dozwolonym tempie wzrostu nie da się dobić do miliardowych mas, które widzi Webb w bardzo młodych galaktykach. Brakowało więc w tej historii jednego elementu: jakiegoś szybkiego, brutalnego mechanizmu, który na samym początku dał czarnym dziurom gigantyczny zastrzyk masy.
Ciężkie ziarna zamiast gwiazd
Zespół Natarajan od lat proponuje alternatywę mówiącą o tym, iż zamiast małych pozostałości po gwiazdach, pierwsze supermasywne czarne dziury mogły zacząć życie jako tzw. ciężkie ziarna.
W klasycznym obrazie ogromne, pierwotne obłoki gazu, składające się niemal wyłącznie z wodoru i helu, fragmentują się, zapadają i tworzą gwiazdy. Natarajan i współpracownicy policzyli jednak, iż w sprzyjających warunkach może się zdarzyć coś o wiele bardziej dramatycznego: cały obłok zamiast rozdrabniać się na gwiazdy, zapada się niemal w całości, tworząc od razu czarną dziurę o masie dziesiątek lub setek tysięcy Słońc.
Taki scenariusz nazywa się kolapsem bezpośrednim. Zamiast żmudnej pracy od 100 mas Słońca w górę, Wszechświat zaczyna grę z pionkiem ważącym 100 tys. Słońc. Dalej ta czarna dziura może już normalnie rosnąć, zjadając gaz i łącząc się z innymi, ale startuje z uprzywilejowanej pozycji.
Teoretycy nazwali takie układy galaktykami z nadwagą czarnej dziury. To obiekty, w których masa czarnej dziury jest porównywalna z masą wszystkich gwiazd razem wziętych, czyli zupełnie inaczej niż w dzisiejszym Wszechświecie, gdzie czarna dziura stanowi zwykle około 0,1 proc. masy gwiazd w galaktyce.
UHZ1 – galaktyka, w której czarna dziura gra pierwsze skrzypce
Jednym z najsilniejszych dowodów na to, iż ciężkie ziarna naprawdę istnieją, jest galaktyka oznaczona UHZ1. To obiekt widziany, gdy Wszechświat miał zaledwie około 470 mln lat, a więc w ekstremalnie wczesnej epoce.
Dzięki sprytnemu wykorzystaniu soczewkowania grawitacyjnego (efektu, w którym masa gromady galaktyk działa jak kosmiczna lupa dla światła od bardziej odległych obiektów) udało się zajrzeć w jej środek z dokładnością, o jakiej Hubble mógł tylko marzyć.
W danych z Webba widać młodą galaktykę, ale najciekawsze dzieje się w promieniach rentgenowskich, zarejestrowanych przez teleskop Chandra. Tam UHZ1 świeci jak pełnoprawna kwazarowa latarnia: w centrum siedzi potężna, karmiąca się czarna dziura, otoczona gorącym dyskiem materii.
Szacowana masa tej czarnej dziury sięga dziesiątek mln Słońc i, co kluczowe, jest porównywalna z masą gwiazd w całej galaktyce. Dokładnie taki stosunek przewidywały modele bezpośredniego kolapsu. To już nie jest losowa osobliwość, tylko bardzo konkretne potwierdzenie: gdzieś we wczesnym Wszechświecie obłok gazu naprawdę mógł zawalić się naraz, zamiast urodzić najpierw gwiazdy.
Infinity Galaxy i czarna dziura, która się nikogo nie słucha
UHZ1 nie jest jedynym podejrzanym. W danych Webba pojawił się też intrygujący układ, który zyskał przydomek Infinity Galaxy. Na zdjęciach w podczerwieni widać dwa jasne, zwarte centra otoczone pierścieniowymi strukturami – ślad zderzenia dwóch dyskowych galaktyk we wczesnym Wszechświecie.
Między nimi, w rozległym zbiorniku gazu, siedzi supermasywna czarna dziura, która nie ma ochoty grzecznie zajmować miejsca w środku którejś z galaktyk. To dokładnie ten typ turbulentnego, gęstego środowiska, w którym według modeli może dojść do bezpośredniego kolapsu. Zamiast spokojnie budować gwiazdy, gaz traci stabilność i w ogromnym uproszczeniu zapomina, iż mógłby tworzyć normalną galaktykę: zapada się w czarną dziurę.
Dla Natarajan i jej zespołu to sceny wprost z teoretycznych symulacji sprzed lat. Najpierw papier z wyliczeniami, potem misja kosmiczna, a na końcu dane, które niemal idealnie nakładają się na wcześniejsze przewidywania. W świecie astrofizyki rzadko udaje się zamknąć taką pętlę w obrębie jednego pokolenia badaczy.
Co nam to mówi o pierwszych miastach we Wszechświecie?
Jeśli ciężkie ziarna rzeczywiście były wczesną normą, oznacza to, iż najstarsze galaktyki wcale nie musiały rosnąć spokojnie, od małych obiektów ku coraz większym. Bardziej pasuje tu analogia do miast budowanych wokół potężnej fabryki: najpierw powstaje gigantyczny kombinat w postaci czarnej dziury, a dopiero później dobudowuje się wokół niego reszta infrastruktury. Taka trochę krakowska Nowa Huta, tylko we Wszechświecie.
Współczesne obserwacje sugerują właśnie takie miasta z fabryką w środku: galaktyki, w których czarna dziura na początku była porównywalna masą z całym gwiezdnym osiedlem. Dopiero z czasem galaktyka nadrabia zaległości – tworzy coraz więcej gwiazd, rośnie, a rola czarnej dziury relatywnie maleje, choć wciąż jest ona najistotniejszym elementem układanki.
To wszystko tak naprawdę zmienia też sposób, w jaki myślimy o galaktykach takich jak nasza. Droga Mleczna może być wnuczką tamtych gwałtownych epok, kiedy czarne dziury i galaktyki dopiero dogadywały się, jak podzielić między sobą masę i energię.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
