Rosyjscy astrofizycy badali dużą czarną dziurę na bardzo wczesnym etapie istnienia Wszechświata

Międzynarodowa grupa naukowców, w tym astrofizycy z Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii, badała bardzo jasny i bardzo odległy blazar znajdujący się w naszej Galaktyce – supermasywną czarną dziurę emitującą fale radiowe bezpośrednio w kierunku Ziemi. Naukowcy zasadniczo przyjrzeli się przeszłości, ponieważ sygnał z czarnej dziury potrzebował 11 miliardów lat, aby do nas dotrzeć. Blazar „przypomniał” naukowcom czasy, gdy nasz Wszechświat był prawie 10 razy młodszy. Potwierdziło to teorię mówiącą, że gęstość materii we wczesnym Wszechświecie była znacznie większa niż obecnie, co z kolei wzmacnia teorię Wielkiego Wybuchu. Pracę opublikowano w czasopiśmie Astrophysical Bulletin, wydawanym przez Specjalne Obserwatorium Astrofizyczne Rosyjskiej Akademii Nauk.

Najpierw przypomnijmy sobie, czym są blazary i czym różnią się od zwykłych czarnych dziur i kwazarów. W centrach większości dużych galaktyk kryją się supermasywne czarne dziury – obiekty o masie od milionów do miliardów razy większej od masy naszego Słońca. Kiedy materia (gaz, pył, gwiazdy) spada na taką czarną dziurę, tworzy dysk akrecyjny – gorącą strukturę, która intensywnie promieniuje w całym zakresie widma elektromagnetycznego. Kwazary są najpotężniejszym i najjaśniejszym typem aktywnych jąder galaktycznych. Ich jasność może być tysiące razy większa od jasności całej galaktyki macierzystej, składającej się z setek miliardów gwiazd. Kwazary są tak jasne, że można je zobaczyć z samych krańców obserwowalnego Wszechświata. Niektóre kwazary (jest ich zaledwie ok. 10-15%) są także „głośne radiowo” – emitują silne promieniowanie w zakresie radiowym. Promieniowanie to powstaje w postaci strumieni – wąskich wiązek plazmy wyrzucanych z okolic centralnej czarnej dziury z prędkością bliską prędkości światła. Dlatego te głośne radiowo kwazary, których dżety skierowane są niemal dokładnie w stronę Ziemi i charakteryzują się największą jasnością spośród wszystkich znanych typów czarnych dziur, naukowcy nazywają blazarami. Zmienność ich jasności obserwowana jest w całym zakresie elektromagnetycznym – od twardego promieniowania gamma i rentgenowskiego do fal radiowych, co pozwala na ich rejestrowanie z ogromnych odległości.

Jak donosił MK serwis MIPT, różne grupy naukowe obserwowały blazar PKS 1614+051, znajdujący się w kolosalnej odległości od nas – ponad 11 miliardów lat świetlnych – przez 27 lat. Aby osiągnąć te cele, naukowcy wykorzystali imponujący zestaw instrumentów obserwacyjnych: unikalny rosyjski radioteleskop RATAN-600 i Duży Teleskop Azymutalny (BTA) z 6. zwierciadłem głównym, należące do Specjalnego Obserwatorium Astrofizycznego Rosyjskiej Akademii Nauk, dwa 32-metrowe radioteleskopy RT-32 Instytutu Astronomii Stosowanej Rosyjskiej Akademii Nauk w Buriacji, 22-metrowy radioteleskop na Krymie RT-22, szereg teleskopów optycznych w Rosji i USA.

Promieniowanie, które naukowcy obecnie odbierają z tego źródła, zostało wyemitowane, gdy Wszechświat miał zaledwie około 10–15% swojego obecnego wieku.

O badaniach opowiedział Aleksander Popkow, pracownik naukowy Laboratorium Podstawowych i Stosowanych Badań Obiektów Relatywistycznych Wszechświata w MIPT.

– Co jest interesującego i niezwykłego w zaobserwowanym blazarze?

- To najodleglejszy od nas obiekt spośród najlepiej zaobserwowanych blazarów. Przetestowaliśmy wszystkie hipotezy i modele stworzone przez naukowców dotyczące tego typu blazarów. Dzięki analizie udało nam się również po raz pierwszy ujawnić, że wokół tej czarnej dziury krąży duża chmura wodoru. Oczekiwano, że dokładnie to będzie miało miejsce we wczesnym Wszechświecie, gdy był on znacznie gęstszy. Powstało wiele nowych gwiazd i czarnych dziur, było mniej helu, a więcej wodoru. Pierwsze młode gwiazdy składały się niemal wyłącznie z wodoru. Były ogromne, żyły bardzo krótko i eksplodowały.

- A z czego teraz powstają gwiazdy?

– Nasze Słońce jest gwiazdą trzeciej generacji, zawiera wodór, znacznie więcej helu i ciężkich pierwiastków. Kolejną różnicą pomiędzy nową generacją gwiazd jest to, że powstają one rzadziej niż gwiazdy pierwszej generacji. Dzieje się tak, ponieważ w przestrzeni kosmicznej jest znacznie mniej materii i chmur gazu, z których mogłyby powstać.

– Czy można powiedzieć, że obserwując blazar PKS 1614+051 można zobaczyć przeszłość?

- Tak, to prawda. Obserwujemy i podsumowujemy wszystkie informacje, jakie na ten temat otrzymały różne grupy naukowe. Po raz pierwszy połączyliśmy dane optyczne i radiowe. W szczególności chodzi o to, że blazar emituje promieniowanie na skutek interakcji z otoczeniem, a otoczenie, czyli znajdujący się tuż obok obłok wodoru, obraca się bardzo szybko.

– W jaki sposób wiedza ta może pomóc w skonstruowaniu modelu „stworzenia świata”?

– Przede wszystkim pomogą stworzyć dokładniejszy model rozwoju Wszechświata w momencie powstawania supermasywnych czarnych dziur, a być może także odpowiedzą na pytanie, w jaki sposób powstała ciemna materia i ciemna energia. Obecnie istnieją różne modele cząstek ciemnej materii, które słabo lub wcale nie oddziałują ze zwykłą materią. Nie wiemy, czy mogą one tworzyć własne skupiska i formacje.

Obserwacje PKS 1614+051 przez prawie trzy dekady można porównać do oglądania filmu o życiu gigantycznego silnika kosmicznego we wczesnym Wszechświecie, tyle że w bardzo zwolnionym tempie.