Czarna dziura to obszar przestrzeni, gdzie grawitacja jest tak silna, że nic, nawet światło, nie może uciec po przekroczeniu horyzontu zdarzeń. Astronomy nie mogą bezpośrednio zobaczyć czarnych dziur, więc wnioskują o ich obecności z efektów na pobliskiej materii, świetle i czasoprzestrzeni — poprzez dyski akrecji, orbitalne gwiazdy i fale zwane falami grawitacyjnymi. Dwie przełomowe obserwacje — detekcja fal grawitacyjnych LIGO w 2015 roku i obraz M87 z teleskopu Event Horizon Telescope w 2019 roku — zamieniły koncepcję z teorii na bezpośrednie dowody.
Ta wersja jest tłumaczeniem maszynowym oryginału (English). Przeczytaj oryginał
Czarne dziury formują się na więcej niż jeden sposób, a astronomy sortują je na klasy wielkości na podstawie masy, a nie jednej historii pochodzenia.
Jak formują się czarne dziury
Najlepiej zrozumiana droga to śmierć gwiazdy. Według projektu NASA Imagine the Universe czarna dziura o masie gwiazdy tworzy się, gdy masywna gwiazda wyczerpuje paliwo jądrowe, a jej jądro zapada się pod własną grawitacją, proces, który może towarzyszyć wybuchowi supernowej. NASA stwierdza, że czarne dziury o masie gwiazdy zwykle mają masę około 5 do 20 razy większą niż Słońce i są rozproszone w całych galaktykach wszędzie tam, gdzie żyły i umierały masywne gwiazdy.
Na drugim końcu skali znajdują się supermassywne czarne dziury, znajdujące się w centrum prawie każdej dużej galaktyki, o masach od milionów do miliardów razy większych niż masa Słońca, według NASA. To, jak dokładnie te giganty się formują i rosną, NASA opisuje jako aktywny obszar badań, chociaż obserwacje pokazują korelację między wielkością czarnej dziury w centrum galaktyki a wielkością samej galaktyki.
NASA opisuje również proponowaną klasę pośrednią, o masach między zakresami gwiazdowymi i supermasywnymi. Agencja odnotowuje, że astronomy dopiero niedawno zaczęły znajdować możliwe dowody na czarne dziury o masie pośredniej, po tym jak wiele wcześniejszych obiektów kandydatów okazało się być wyjaśnionymi przez inne procesy fizyczne.
Jak astronomy wykrywają coś, co nie emituje światła
Sama czarna dziura nie może być widoczna, ponieważ nie emituje własnego światła. Strona NASA Imagine the Universe wyjaśnia, że astronomy zamiast tego polegają na detekcji pośredniej: szukają zachowania w pobliskich obiektach, które można wyjaśnić tylko obecnością bardzo dużej, gęstej, niewidocznej masy. To obejmuje materiał wciągany i podgrzewany w świecący dysk akrecji lub gwiazdy wyraźnie orbitujące punkt, w którym nie widać gwiazdy.
Jednym ze sposobów zobrazowania pośrednich dowodów jest interferometria radiowa. Teleskop Event Horizon Telescope (EHT) łączy obserwatoria radiowe na całym świecie przy użyciu techniki zwanej interferometrią o bardzo długiej linii bazowej (VLBI), która, jak wyjaśnia witryna physics outreach Einstein-Online, łączy równoczesne obserwacje z wielu teleskopów w dane równoważne pojedynczemu teleskopowi o wielkości Ziemi. Czarna dziura nie pojawia się bezpośrednio; to, co rejestruje EHT, to emisja radiowa z gorącego, wirującego gazu w dysku akrecji, z ciemnym obszarem centralnym — «cieniem» czarnej dziury — utworzonym tam, gdzie światło ugina się wokół obiektu pod ekstremalną grawitacją.
Pierwsze zdjęcie: M87
10 kwietnia 2019 roku współpraca EHT wydała pierwszy obraz zbudowany w ten sposób, pokazujący supermassywną czarną dziurę w centrum galaktyki M87, położoną około 55 milionów lat świetlnych od Ziemi, według MIT News, które opublikowało raport o wydaniu. MIT News podała masę obiektu na około 6,5 miliarda razy masę Słońca, przy czym zobrazowany horyzont zdarzeń mierzy nieco poniżej 40 miliardów kilometrów średnicy. Kampania obserwacyjna połączyła osiem naziemnych obserwatoriów radiowych i zaangażowała ponad 200 naukowców na całym świecie.
Słuchanie czarnych dziur: fale grawitacyjne
Oddzielna metoda detekcji w ogóle nie wykorzystuje światła. 14 września 2015 roku o 5:51 czasu wschodniego Obserwatorium Laserowe Fal Grawitacyjnych (LIGO) dokonało pierwszej bezpośredniej detekcji fal grawitacyjnych — zmarszczek w czasoprzestrzeni przewidzianej ogólną teorią względności Einsteina — według MIT News. Sygnał pochodził od dwóch czarnych dziur, każdej o masie około 30 razy większej niż Słońce, łączących się w odległości około 1,3 miliarda lat świetlnych. Kolizja zamieniła energię równoważną około trzem masom słonecznym na fale grawitacyjne, według raportu MIT, przez krótki czas emitując więcej mocy niż całe światło widocznego wszechświata. Bliźniacze czterokiometrowe detektory laserowe LIGO w Louisjanie i Waszyngtonie mierzyły zmianę długości ramienia mniejszą niż jedna dziesięciotysięczna średnicy protonu, aby zarejestrować sygnał.
Od tego czasu do LIGO dołączył detektor Virgo we Włoszech i KAGRA w Japonii, tworząc współpracę LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), która, jak donosi Caltech, zarejestrowała około 300 fuzji czarnych dziur od 2015 roku, w tym ponad 200 tylko podczas czwartego cyklu obserwacyjnego. W listopadzie 2023 roku współpraca zaobserwowała fuzję najpotężniejszych czarnych dziur dotychczas zarejestrowanych przez fale grawitacyjne, zdarzenia oznaczonego GW231123, z udziałem obiektów o masach około 100 i 140 mas słonecznych, które połączyły się w czarną dziurę o masie około 225 mas słonecznych, jak podał Caltech.
Kluczowe fakty w przybliżeniu
Klasy czarnych dziur i sposób ich wykrywania
Klasa / Zdarzenie
Masa (masy słoneczne)
Metoda detekcji
Czarna dziura o masie gwiazdy
~5–20
Pośrednia: wpływ na orbitującą materię/gwiazdy (NASA)
Masa pośrednia (proponowana)
Nie zdefiniowana precyzyjnie przez NASA; kilka potwierdzonych kandydatów
Pośrednia, ograniczona liczba potwierdzonych kandydatów (NASA)
Supermassywna czarna dziura
Miliony do miliardów
Pośrednia; zobrazowana bezpośrednio tylko dla M87* i Sagittarius A* (NASA/EHT)
Czarne dziury tak masywne są zabronione zgodnie ze standardowymi modelami ewolucji gwiazd.
— Mark Hannam, Cardiff University, cytowany przez Caltech w sprawie fuzji GW231123
Razem te dwie metody — zobrazowanie świecącego materiału wokół czarnej dziury za pomocą interferometrii radiowej i słuchanie grawitacyjno-falowego «ćwierkania» dwóch czarnych dziur spiralujących razem — dają astronomy niezależne, uzupełniające się sposoby potwierdzenia, że obiekt jest czarną dziurą i zmierzenia jej masy, chociaż sama czarna dziura nigdy nie emituje niczego, co można zobaczyć bezpośrednio.
Pytania
Czy kiedykolwiek możemy rzeczywiście zobaczyć czarną dziurę?
Nie — sama czarna dziura nie emituje światła. To, co rejestrują teleskopy, takie jak Event Horizon Telescope, to emisja radiowa z gorącego gazu wirującego wokół niej (dysk akrecji), z ciemnym «cieniem», gdzie czarna dziura blokuje i ugina światło, według Einstein-Online i NASA.
Jak się formują czarne dziury?
Czarne dziury o masie gwiazdy formują się, gdy masywna gwiazda wyczerpuje paliwo, a jej jądro zapada się, czasami w wyniku supernowej, według NASA. To, jak formują się supermassywne czarne dziury w centrach galaktyk, jest nadal aktywnym obszarem badań, stwierdza NASA.
Jakie było pierwsze bezpośrednie zdjęcie czarnej dziury?
10 kwietnia 2019 roku współpraca Event Horizon Telescope wydała obraz supermassywnej czarnej dziury w galaktyce M87, około 55 milionów lat świetlnych od nas, zbudowany na podstawie danych radiowych zebranych przez osiem obserwatoriów, jak podał MIT News.
Czym są fale grawitacyjne i jak się mają do czarnych dziur?
Fale grawitacyjne to zmarszczki w czasoprzestrzeni przewidziane ogólną teorią względności Einsteina; LIGO dokonało pierwszej bezpośredniej detekcji 14 września 2015 roku od dwóch łączących się czarnych dziur o masie około 30 mas słonecznych każda, położonych około 1,3 miliarda lat świetlnych od nas, według MIT News.
Jaką masę mogą mieć czarne dziury?
Czarne dziury o masie gwiazdy zwykle mają masę 5–20 razy większą od masy Słońca (NASA), podczas gdy supermassywne czarne dziury wahają się od milionów do miliardów mas słonecznych; czarna dziura M87 zobrazowana w 2019 roku ma masę około 6,5 miliarda Słońc, według MIT News.
Ten tekst przygotowała sztuczna inteligencja, a przed publikacją przeszedł automatyczną kontrolę źródeł. Jeśli widzisz błąd, poproś o sprostowanie. Poproś o sprostowanie lub odpowiedź · Jak to robimy
Astronomowie zmierzyli odległość do najbardziej odleglejnego szybkiego wybuchu radiowego kiedykolwiek zarejestrowanego, FRB 20240304B, który opuścił swoje źródło, gdy wszechświat miał około 3 miliardy lat. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba wyśledzić impuls trwający milisekundę do małej, aktywnie formującej gwiazdy karlikowej galaktyki — a nie do dużej, dojrzałej galaktyki, jak się spodziewali badacze.
Satelity pozostają na orbicie, ponieważ ich prędkość w przód równoważy grawitację Ziemi, a wybrana wysokość określa, jakie zadanie może wykonać satelita. Niskie orbity zapewniają ostre obrazy i krótkie opóźnienia, orbity geostacjonarne zapewniają ciągłe pokrycie jednego regionu, a orbity średnie napędzają globalną nawigację — każda połączona ze stacjami naziemnymi sygnałami radiowymi regulowanymi przez międzynarodowy system częstotliwości.
Teleskopy kosmiczne krążą ponad atmosferą Ziemi, która blokuje lub zniekształca większość światła podczerwonego, ultrafioletu i promieni rentgenowskich, zanim dotrze do powierzchni. Pracując poza tym barierem, obserwatoria takie jak Hubble, Webb, Gaia i Chandra każda przechwytują inny wycinek spektrum elektromagnetycznego i razem tworzą bardziej kompletny obraz gwiazd, galaktyk i wczesnego wszechświata.
Deszcze meteorów najlepiej obserwuje się gołym okiem z ciemnego miejsca w godzinach między północą a świtem, gdy radiант deszczu meteorów wznosi się najwyżej na niebie. Sprawdzenie fazy Księżyca, adaptacja oczu do ciemności i spojrzenie nieco w bok od radiantu – to kroki, które eksperci najczęściej powtarzają.
