Od Ciemnych Gwiazd po Taniec Czarnych Dziur: Astronomowie Odsłaniają Tajemnice Wszechświata

Nowe odkrycia astronomiczne rzucają światło na najwcześniejsze dni Wszechświata i procesy rządzące jego ewolucją. Dzięki zaawansowanym teleskopom, takim jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), oraz sieciom radioteleskopów, naukowcy są w stanie obserwować obiekty, które do tej pory istniały jedynie w teorii. Ostatnie doniesienia dotyczą potencjalnego odkrycia pierwszych „ciemnych gwiazd” oraz pierwszego w historii zdjęcia układu podwójnego czarnych dziur.

Czy astronomowie odnaleźli pierwsze ciemne gwiazdy Wszechświata?

Zaledwie kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu z obłoków wodoru i helu zaczęły formować się pierwsze gwiazdy. Jednak obserwacje prowadzone przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba ujawniły obiekty we wczesnym Wszechświecie, które są zaskakująco jasne, co podważa konwencjonalne modele ewolucji gwiazd i formowania się czarnych dziur. Niedawne badanie przeprowadzone przez naukowców z Colgate University i The University of Texas w Austin donosi o zidentyfikowaniu czterech niezwykle odległych obiektów, których właściwości odpowiadają nowemu, teoretycznemu typowi gwiazd. Badania, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences, sugerują, że mogą to być pierwsze zaobserwowane „ciemne gwiazdy” – gigantyczne obiekty gwiazdowe zasilane nie przez fuzję jądrową, ale przez anihilację ciemnej materii.

Teoria ciemnych gwiazd, opracowana pierwotnie przez Katherine Freese i jej współpracowników w 2008 roku, dostarcza potencjalnego wyjaśnienia dla tych niezwykłych kosmicznych obiektów. Zgodnie z teorią, ciemne gwiazdy to olbrzymie, „puszyste” obłoki składające się głównie z wodoru i helu. W przeciwieństwie do zwykłych gwiazd, które opierają się kolapsowi grawitacyjnemu dzięki ciśnieniu wytwarzanemu przez fuzję jądrową w ich jądrach, ciemne gwiazdy są zasilane przez inny mechanizm. Ogrzewa je anihilacja cząstek ciemnej materii w ich wnętrzu.

Uważa się, że ciemna materia składa się z nowego typu cząstek, a głównym kandydatem są słabo oddziałujące masywne cząstki (WIMP). Kiedy cząstki te zderzają się, anihilują, uwalniając niewielką, ale wystarczającą ilość ciepła do zapadającego się obłoku gazu. Proces ten zapobiega osiągnięciu przez obłok gęstości niezbędnej do zainicjowania fuzji, pozwalając mu zamiast tego rozrosnąć się do rozmiarów niezwykle jasnego i supermasywnego obiektu. Warunki do formowania się ciemnych gwiazd byłyby idealne w gęstych aureolach ciemnej materii wczesnego Wszechświata.

Korzystając z danych z przeglądu JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), zespół badawczy zidentyfikował cztery obiekty kandydujące, nazwane JADES-GS-z14-0, JADES-GS-z14-1, JADES-GS-13-0 i JADES-GS-z11-0. Analiza ich widma i morfologii wykazała, że każdy z nich pasuje do interpretacji supermasywnej ciemnej gwiazdy. Najbardziej przekonujący dowód pochodzi z widma JADES-GS-z14-0, które wykazuje potencjalną sygnaturę charakterystyczną dla ciemnej gwiazdy – spadek w widmie odpowiadający linii absorpcyjnej zjonizowanego helu. Chociaż odkrycie jest wciąż wstępne, identyfikacja ciemnych gwiazd mogłaby rozwiązać dwie kluczowe zagadki astronomii: dlaczego JWST obserwuje tak jasne galaktyki we wczesnym Wszechświecie oraz jak tak szybko powstały supermasywne czarne dziury, które zasilają odległe kwazary.

Śmiertelny taniec czarnych dziur po raz pierwszy uchwycony na zdjęciu

Gdy dwie czarne dziury zbliżą się do siebie, ich ogromna grawitacja rozpoczyna potężny taniec orbitalny. Wirując wokół siebie, z czasem zbliżają się, aż w końcu łączą się w jedno, wyzwalając jedno z najbardziej energetycznych zjawisk we Wszechświecie. Mimo to bezpośrednia obserwacja takiego układu podwójnego pozostawała nieuchwytna – aż do teraz. Grupa naukowców ogłosiła, że udało im się uzyskać pierwszy w historii obraz dwóch czarnych dziur okrążających się nawzajem. Układ znajduje się około 5 miliardów lat świetlnych od Ziemi w centrum kwazaru o nazwie OJ287.

Para ta znajduje się w sercu niezwykle jasnego jądra galaktyki, które powstaje, gdy centralna czarna dziura pochłania otaczający ją gaz i pył. Obserwacje, opisane w czasopiśmie The Astrophysical Journal, oferują rzadki wgląd w interakcje jednych z najbardziej tajemniczych obiektów we Wszechświecie. Używając sieci radioteleskopów, naukowcy zidentyfikowali parę czarnych dziur dzięki emitowanym przez nie dżetom cząstek.

Większa z czarnych dziur ma masę około 18 miliardów razy większą od masy Słońca i emituje gigantyczny, jasny dżet. Mniejsza, o masie „zaledwie” 150 milionów mas Słońca, ma dżet, który wydaje się być skręcony i przypomina „merdający ogon”. Dzieje się tak, ponieważ mniejsza czarna dziura krąży wokół większej ze znacznie większą prędkością, a jej dżet zmienia kierunek podczas tego gwałtownego ruchu. Autorzy badania zastrzegają, że potrzebne są dalsze obserwacje, aby ostatecznie potwierdzić tę interpretację. Następna okazja do obserwacji „merdającego ogona” pojawi się około 2032 roku, co wynika z długiego, dwunastoletniego okresu orbitalnego tego układu.

Odsłaniając kosmiczne tajemnice

Kwazar OJ287, w którym znajduje się obserwowana para, jest wyjątkowo jasny – świeci biliony razy jaśniej niż Słońce. Naukowcy obserwują go już od XIX wieku, choć wtedy nie wiedziano, co jest źródłem jego jasności. Dopiero pod koniec lat 80. XX wieku zaczęto spekulować, że rozbłyski kwazaru mogą być wynikiem interakcji dwóch czarnych dziur.

Nowe zdjęcie o wysokiej rozdzielczości pozwoliło po raz pierwszy zobaczyć obie czarne dziury jako oddzielne obiekty. Osiągnięcie to następuje zaledwie kilka lat po tym, jak astronomowie zaprezentowali historycznie pierwsze zdjęcie czarnej dziury. Dzięki takim odkryciom naukowcy uchylają rąbka tajemnicy otaczającej jedne z najbardziej fascynujących obiektów w kosmosie. Informacje te pomagają nam lepiej zrozumieć, jak Wszechświat się uformował i jak ewoluuje na przestrzeni miliardów lat.