Mogą istnieć znacznie większe czarne dziury niż przypuszczano. Naukowcy proponują nawet nową klasę obiektów

Bartłomiej Pawlak
Zdumiewająco duże czarne dziury to nowa klasa obiektów proponowana przez naukowców z Queen Mary University of London. Mają być zdecydowanie większe od największych dotąd odkrytych czarnych dziur i osiągać masę nawet ponad 100 mld Słońc. Zdaniem badaczy, powstały w zupełnie inny sposób niż znane już obiekty.
Zobacz wideo Pierwsze w historii "zdjęcie" czarnej dziury

Obecnie czarne dziury dzielimy umownie na trzy klasy: czarne dziury masy gwiazdowej (stellar black holes), masy pośredniej (intermediate-mass black holes - IMBH) i supermasywne czarne dziury (supermassive black holes - SMBH). Te pierwsze to najmniejsze (potwierdzone) obiekty tego typu, które powstają bezpośrednio w wyniku kolapsu grawitacyjnego umierającej gwiazdy o dużej masie. Same osiągają masy od kilku do kilkudziesięciu-kilkuset mas Słońca (nie ma sztywnej granicy).

Są też potwierdzone stosunkowo niedawno czarne dziury masy pośredniej (zazwyczaj mają kilkadziesiąt tysięcy mas Słońca) oraz supermasywne czarne dziury, które znajdują się w centrach (najprawdopodobniej) wszystkich dużych galaktyk we Wszechświecie. Te ostatnie mogą osiągać od kilkuset tysięcy do kilkudziesięciu miliardów mas Słońca. 

Są jeszcze większe czarne dziury. Naukowcy proponują nową klasę

Większość obserwowanych przez astronomów supermasywnych czarnych dziur znajduje się gdzieś po środku tej skali. Dla przykładu, Sagittarius A* w sercu Drogi Mlecznej ma ok. 4,31 mln mas Słońca, a ogromna czarna dziura w centrum galaktyki M87, której obraz pokazano w 2019 roku ma masę 6,5 mld Słońc.

Jak przypomina ScienceAlert, przyjmuje się, że teoretyczna granica masy dla supermasywnych czarnych dziur wynosi mniej więcej 50 mld mas Słońca. Powyżej tej wartości czarna dziura nie byłaby zdolna do utrzymania tak masywnego dysku akrecyjnego, aby nie rozpadł się on pod własnym ciężarem. I faktycznie najbardziej masywne czarne dziury, jakie znamy mają (według różnych źródeł) od ok. 40 do 66 mld mas Słońca.

Teraz badacze z Queen Mary University of Londonw nowej pracy sugerują istnienie zdecydowanie większych czarnych dziur niż te znane obecnie. Na tyle dużych, że nie mieszczą się już granicach przyjętych dla klasy supermasywnych czarnych dziur. Twierdzą oni, że mogą istnieć obecnie czarne dziury o masach nawet powyżej 100 mld razy większych niż masa naszej gwiazdy. Proponują, aby rozważyć zaliczanie ich (a konkretnie czarnych dziur od masy 10 mld Słońc) do nowej klasy "zdumiewająco dużych czarnych dziur" (stupendously large black holes - SLAB).

Jak powstały zdumiewająco duże czarne dziury?

Choć nie jest to pewne, przyjmuje się, że supermasywne czarne dziury mogły urosnąć do tak dużych rozmiarów w wyniku m.in. zderzeń galaktyk. Wielokrotne łączenie się z innymi bardzo masywnymi czarnymi dziurami oraz stopniowa akrecja materii z bardzo gęstego centrum, pozwalają teoretycznie na osiągnięcie mas miliardów Słońc po wielu miliardach lat istnienia.

Badacze argumentują, że zdumiewające duże czarne dziury mogły powstać w zupełnie inny sposób niż zakładają dotychczasowe modele. Autorzy pracy sądzą, że mogą to być wyjątkowo duże odmiany pierwotnych czarnych dziur (primordial black hole - PBH), czyli obiektów powstałych bezpośrednio po Wielkim Wybuchu (a nie w wyniku grawitacyjnego zapadania się gwiazd i późniejszej akrecji materii).

Taką - wciąż teoretyczną - klasę czarnych dziur proponowano już w latach 70. XX wieku. Pierwotne czarne dziury miałyby powstać w wyniku zapadania się grawitacyjnego dużych zagęszczeń pierwotnej materii, kiedy to Wszechświat był zdecydowanie mniejszy niż obecnie (ciągle się rozszerza), a materia była gorąca i bardzo gęsta. Z takich fluktuacji gęstości materii mogłyby teoretycznie powstać zarówno bardzo małe czarne dziury (nawet mniej masywne niż Słońce), jak i zdumiewająco duże.

Niektóre czarne dziurą są zbyt masywne

Zdaniem badaczy, choć nie ma na to obecnie dowodów, obiekty klasy SLAB mogą istnieć. Sugerować mogą to m.in. masy czarnych dziur odkrywanych miliardy lat świetlnych od Ziemi. Wiele z nich - pomimo, że istnieje dość krótko (z powodu skończonej prędkości światła niejako patrzymy w przeszłość) - ma masy miliardów mas Słońca.

Część badaczy powątpiewa, czy takie czarne dziury, istniejące niedługo po uformowaniu się pierwszych galaktyk, byłyby w stanie powstać w tradycyjny sposób. Jest to bowiem proces wyjątkowo czasochłonny. Świetnym przykładem takiej niewytłumaczalnie dużej czarnej dziury jest ta w centrum kwazaru J1007 + 2115. Pomimo, że obserwujemy ją taką, jak była 700 mln lat po Wielkim Wybuchu, ma aż 1,5 mld mas Słońca.

Zgodnie z modelem, pierwsze gwiazdy i galaktyki powstały w erze rejonizacji, czyli 300-400 mln lat po Wielkim Wybuchu. Czarna dziura w J1007 + 2115 miałaby zatem ledwie 300-400 mln lat na osiągnięcie tak ogromnej masy. Dobrym wyjaśnieniem byłoby zatem istnienie bardzo masywnych pierwotnych czarnych dziur powstałych z fluktuacji gęstości materii na długo przed uformowaniem się pierwszych galaktyk. 

Co więcej, pierwotne czarne dziury mogłyby obecnie istnieć w przestrzeni międzygalaktycznej, z dala od gwiazd, jednak z powodu braku integracji z materią (czarnych dziur nie da się obserwować bezpośrednio) pozostają dotąd "nieuchwytne". Co więcej, badacze sugerują, że SLAB - jeśli faktycznie istnieją - mogłyby wyjaśnić braki widzialnej (barionowej) materii np. w gromadach galaktyk. Dziś tłumaczymy je obecnością niewidocznej ciemnej materii, która ma stanowić ok. 80 proc. masy Wszechświata.