Od czego się zaczęło?
Koncepcja czarnych dziur od wieków intryguje zarówno naukowców, jak i opinię publiczną, ewoluując od teoretycznych rozważań do fundamentalnych zjawisk w astrofizyce. Podróż rozpoczęła się w XVIII wieku, kiedy filozofowie i naukowcy, tacy jak John Michell i Pierre-Simon Laplace, zastanawiali się nad istnieniem obiektów o polach grawitacyjnych tak silnych, że samo światło nie mogło się z nich wydostać. Te wczesne pomysły pozostały jednak w dużej mierze spekulacjami i nie zyskały znaczącej popularności aż do pojawienia się ogólnej teorii względności Alberta Einsteina na początku XX wieku. [1]
Przełomowe równania Einsteina sugerowały, że wystarczająco zwarta masa może wypaczyć czasoprzestrzeń w takim stopniu, że utworzy obszar, z którego nic nie może uciec, kładąc tym samym teoretyczne podwaliny pod to, co obecnie znamy jako czarne dziury. To właśnie Karl Schwarzschild w 1916 roku dostarczył pierwsze dokładne rozwiązanie równań Einsteina, opisujące geometrię czasoprzestrzeni wokół kulistej masy – rozwiązanie, które później zostało uznane za charakteryzujące czarną dziurę.
Pomimo tych znaczących postępów teoretycznych, termin „czarna dziura” i pełne zrozumienie jego implikacji pojawiły się dopiero znacznie później. W 1958 roku fizyk David Finkelstein opublikował artykuł interpretujący czarne dziury jako obszary w przestrzeni, w których prędkość ucieczki przekracza prędkość światła, co czyni je prawdziwymi „pułapkami” w strukturze czasoprzestrzeni [2]. Jednak nawet wtedy czarne dziury były często uważane za ciekawostki matematyczne, a nie byty fizyczne.
Lata sześćdziesiąte XX wieku stanowiły punkt zwrotny, ponieważ prace teoretyczne zaczęły umacniać zrozumienie, że czarne dziury są nie tylko możliwe, ale są naturalną konsekwencją ogólnej teorii względności. W tym okresie odkryto również gwiazdy neutronowe, zwarte obiekty powstałe z pozostałości po eksplozjach supernowych, co zwiększyło zainteresowanie badaniem kolapsu grawitacyjnego.
Rozwój badań
Pierwsze empiryczne dowody na istnienie czarnej dziury pojawiły się w 1971 roku wraz z identyfikacją Cygnus X-1. To źródło promieniowania rentgenowskiego, znajdujące się w gwiazdozbiorze Cygnusa, wykazywało właściwości, które silnie sugerowały obecność czarnej dziury, przyciągając uwagę społeczności naukowej i całego świata. Odkrycie to było przełomowym momentem, przekształcając czarne dziury z abstrakcyjnych pojęć w namacalne obiekty astrofizyczne.
Obecnie czarne dziury znajdują się w czołówce badań astronomicznych i nadal pobudzają naszą wyobraźnię. Są one badane nie tylko jako punkty końcowe ewolucji gwiazd, ale także jako laboratoria do testowania praw fizyki w ekstremalnych warunkach. Nowoczesne obserwacje, w tym te z Event Horizon Telescope, dostarczyły oszałamiających obrazów i cennych danych, pogłębiając nasze zrozumienie tych tajemniczych bytów. Badanie czarnych dziur obejmuje wszystko, od emisji promieniowania Hawkinga, przewidywanego przez kwantową teorię pola, po ich rolę w dynamice galaktyk i zachowanie materii w ekstremalnych polach grawitacyjnych.
OGLE jako największy współczesny przegląd nieba – polskie osiągnięcie?
W przełomowym badaniu zatytułowanym „Microlensing Optical Depth and Event Rate toward the Large Magellanic Cloud Based on 20 Years of OGLE Observations”, zespół astronomów z Uniwersytetu Warszawskiego i innych instytucji przedstawił wyniki obszernego 20-letniego badania. Badanie to wykorzystuje dane z eksperymentu optycznego soczewkowania grawitacyjnego (OGLE) w celu zbadania głębokości optycznej mikrosoczewkowania i częstotliwości zdarzeń w kierunku Wielkiego Obłoku Magellana (LMC).
źródło: Microlensing Optical Depth and Event Rate toward the Large Magellanic Cloud Based on 20yr of OGLE Observations, The Astrophysical Journal Supplement Series, lipiec 2024,
https://doi.org/10.3847/1538-4365/ad452e
Zjawisko mikrosoczewkowania, w którym masywny obiekt (taki jak czarna dziura lub gwiazda) przechodzi między obserwatorem a odległą gwiazdą, powodując zagięcie i powiększenie światła gwiazdy, jest potężnym narzędziem do wykrywania ciemnej materii i innych zwartych obiektów. Wcześniejsze badania, takie jak te przeprowadzone przez Alcock et al. (2000) i Bennett (2005), sugerowały, że głębokość optyczna w kierunku LMC była znacznie mniejsza niż oczekiwano, gdyby halo ciemnej materii Drogi Mlecznej składało się w całości z obiektów zwartych, takich jak pierwotne czarne dziury. Badania te były jednak ograniczone pod względem możliwości wykrywania zdarzeń o długim czasie trwania, które wskazują na istnienie bardziej masywnych czarnych dziur.
W badaniu zidentyfikowano 16 zdarzeń mikrosoczewkowania w ciągu 20-letniego okresu obserwacji. Zdarzenia te były spowodowane przez gwiazdy w Drodze Mlecznej i Wielkim Obłoku Magellana (LMC), a nie przez zwarte obiekty ciemnej materii.
Zespół badawczy doszedł do wniosku, że masywne i średnio masywne czarne dziury nie stanowią znaczącej części ciemnej materii.
- Pomiary głębokości optycznej mikrosoczewkowania i częstości zdarzeń w kierunku Wielkiego Obłoku Magellana (LMC) mogą być wykorzystane do zbadania rozkładu i funkcji masy zwartych obiektów w kierunku tej galaktyki – dysku Drogi Mlecznej, halo ciemnej materii Drogi Mlecznej i samego LMC. Poprzednie pomiary, oparte na małych próbkach statystycznych zdarzeń, wykazały, że głębokość optyczna jest o rząd wielkości mniejsza niż ta oczekiwana od całego halo ciemnej materii w postaci zwartych obiektów – cytat z publikacji [3].
Odkrycia te są istotne, ponieważ pomagają zawęzić liczbę możliwych kandydatów na ciemną materię, sugerując, że prawdopodobnie składa się ona z nieświecących i niebarionowych cząstek, a nie z masywnych obiektów astrofizycznych.
- Naszą główną motywacją do przeprowadzenia tej pracy i połączenia zestawów danych OGLE-III i OGLE-IV był fakt, że wszystkie poprzednie eksperymenty mikrosoczewkowania nie były wrażliwe na zdarzenia o skali czasowej dłuższej niż tE ≈ 2,5-3 lat, co stwarzało możliwość, że takie zdarzenia o długiej skali czasowej nie zostały uwzględnione w obliczeniach optycznej głębokości mikrosoczewkowania [3].
Wyniki tego badania mają znaczące implikacje dla naszego zrozumienia ciemnej materii. Wykluczając dużą populację masywnych i średnio masywnych czarnych dziur w halo Drogi Mlecznej, wyniki zawężają liczbę możliwych kandydatów na ciemną materię. Badania te potwierdzają hipotezę, że ciemna materia prawdopodobnie składa się z nieświecących i niebarionowych cząstek, a nie z masywnych obiektów astrofizycznych.
W skład zespołu badawczego wchodzą: Przemek Mróz, Andrzej Udalski, Michał K. Szymański, Igor Soszyński, Łukasz Wyrzykowski, Paweł Pietrukowicz, Szymon Kozłowski, Radosław Poleski, Jan Skowron, Dorota Skowron, Krzysztof Ulaczyk, Mariusz Gromadzki, Krzysztof Rybicki, Patryk Iwanek, Marcin Wrona, Milena Ratajczak, Mateusz Kapusta.
Bibliografia:
[1] Nola Taylor Tillman, Daisy Dobrijevic, Black holes: Everything you need to know, 19.05.2023, https://www.space.com/15421-black-holes-facts-formation-discovery-sdcmp.html
[2] BLACK HOLES ARE THE KEY, https://www.davidritzfinkelstein.com/blackholes.html[3] Przemek Mróz, Andrzej Udalski, Michał K. Szymański, Igor Soszyński, Łukasz Wyrzykowski, Paweł Pietrukowicz, Szymon Kozłowski, Radosław Poleski, Jan Skowron, Dorota Skowron, Krzysztof Ulaczyk, Mariusz Gromadzki, Krzysztof Rybicki, Patryk Iwanek, Marcin Wrona, Milena Ratajczak, Mateusz Kapusta, Microlensing Optical Depth and Event Rate toward the Large Magellanic Cloud Based on 20 yr of OGLE Observations, 24.06.2024, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4365/ad452e
Fot. Unsplash
