Przegląd najnowszych zadziwiających znalezisk kosmicznych. Przestrzeń pełna monstrów i osobliwości
Pozostając przy tym samym rodzaju obiektów - w 2023 badacze zaobserwowali źródło kolosalnego strumienia plazmy wystrzelonej w przestrzeń z supermasywnej czarnej dziury M87* (1). Po raz pierwszy udało się zobaczyć cień czarnej dziury i ów strumień razem na tym samym obrazie.
Czarne dziury, jak wiemy, słyną z tego, że nie emitują niczego, co możemy wykryć. Są tak gęste, że czasoprzestrzeń skutecznie zagina się w zamkniętą sferę wokół nich, nie pozwalając niczemu uciec. Ale przestrzeń tuż poza granicą tej kuli, czyli to, co nazywamy horyzontem zdarzeń - to inna sprawa. To jest obszar, gdzie panuje grawitacja. Każdy materiał w pobliżu jest uwięziony w jej sidłach, krążąc w dysku materiału, który wlewa się w kierunku czarnej dziury jak woda w dół odpływu. Tarcie i grawitacja nagrzewają ten materiał, powodując, że świeci. To właśnie zobaczyliśmy na słynnym obrazie M87* czarnej dziury o masie około 6,5 miliarda razy większej niż Słońce w sercu galaktyki M87, 55 mln lat świetlnych od nas, który został po raz pierwszy opublikowany w 2019 roku, na podstawie danych zebranych w 2017 roku przez zespół Event Horizon Telescope (EHT).
Ale nie cały materiał otaczający nieuchronnie zostaje wciągnięty poza horyzont zdarzeń. Część przesuwa się po krawędzi, po czym jest wystrzeliwana w przestrzeń z biegunów czarnej dziury, tworząc strumienie (dżety), które przemierzają duże odległości w przestrzeni. Astronomowie uważają, że ten materiał jest odwracany z wewnętrznej krawędzi dysku wzdłuż linii pola magnetycznego poza horyzontem zdarzeń, co przyspiesza cząstki, tak że gdy docierają do biegunów, są wystrzeliwane w przestrzeń.
Nowy obraz pokazuje, że rozmiar plazmy wokół M87* jest znacznie większy. "Pierwotne obrazy EHT ujawniły tylko część dysku akrecyjnego otaczającego centrum czarnej dziury. Zmieniając długości fali obserwacji z 1,3 milimetra na 3,5 milimetra", wyjaśnia w publikacji Toney Minter z amerykańskiego Narodowego Obserwatorium Radioastronomicznego. "Okazało się, że pierścień wokół czarnej dziury jest o 50 proc. większy niż wcześniej sądziliśmy".
Neutronowe dziwy
Tak jak dyski wokół czarnych dziur okazują się po dokładniejszych obserwacjach znacznie większe i strumienie dżetów dłuższe, tak samo w innych rejonach kosmosy odkrywamy rzeczy większe i większe, np. w maju 2023 r. astronomowie donieśli, że udało im się zidentyfikować "największą" kosmiczną eksplozję, jaką kiedykolwiek zaobserwowano - kulę ognia sto razy większą od naszego Układu Słonecznego, która zapłonęła w odległym rejonie Wszechświata ponad trzy lata temu. Wybuch nazwano AT2021lwx. Precyzyjnie rzecz ujmując, nie jest to jednak najjaśniejszy błysk, jaki kiedykolwiek zaobserwowano we Wszechświecie. Ten rekord wciąż należy do wybuchu promieniowania gamma, któremu nadano przydomek BOAT, czyli Brightest Of All Time (z ang. "najjaśniejszy w historii"). Philip Wiseman, astrofizyk z brytyjskiego uniwersytetu w Southampton, wyjaśnia, że AT2021lwx został uznany za "największą" eksplozję, ponieważ uwolnił znacznie więcej energii w ciągu ostatnich trzech lat niż krótki błysk BOAT.
Astronomowie sprawdzili kilka możliwych wyjaśnień eksplozji. Jedno z nich traktuje AT2021lwx jako eksplodującą gwiazdę. Jednak błysk jest dziesięć razy jaśniejszy niż jakakolwiek wcześniej widziana supernowa. Zatem rozważa się wyjaśnienie nazywane zaburzeniem pływowym, polegające na rozerwaniu gwiazdy na strzępy w trakcie opadania do supermasywnej czarnej dziury. Kojarzy się z modelem kwazara, czyli zjawiska połykania przez supermasywną czarną dziurę ogromnych ilości gazu w centrum galaktyki.
W pracy, opublikowanej w "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society", międzynarodowy zespół badaczy przedstawił najbardziej, jego zdaniem, prawdopodobny scenariusz, w którym około 5 tys. razy masywniejszy od Słońca obłok gazu jest pochłaniany przez supermasywną czarną dziurę. Problem w tym, że supermasywne czarne dziury znajdują się w centrum galaktyk, a w przypadku eksplozji tej wielkości należałoby oczekiwać, że galaktyka będzie tak rozległa jak Droga Mleczna. Tymczasem nie ma śladów galaktyki w pobliżu AT2021lwx.
Inny wielki i dziwny obiekt, który świeci dziesięć milionów razy jaśniej niż Słońce, jest równie tajemniczy i zdaje się łamać prawa fizyki. Tak przynajmniej wynika z publikacji NASA. Należy do kategorii zjawisk znanych astrofizykom jako "ultraluminous X-ray sources" (ULX). Wydzielana przez nie ilość energii łamie tzw. limit Eddingtona, określający maksymalną jasność obiektu o określonym rozmiarze. Jeśli wartość ta jest przekraczana, to zdaniem naukowców, obiekt powinien się rozpaść. Jednak ULX-y przekraczają ten limit nawet pięćsetkrotnie i nic.
Obserwacje opisane w "The Astrophysical Journal", przeprowadzone przez instrument Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR), pracujący w zakresie promieniowania rentgenowskiego, dotyczą ULX o nazwie M82 X-2, zdecydowanie za jasnego w stosunku do rozmiaru. Wcześniej sugerowano, że ekstremalna jasność mogła być rodzajem złudzenia optycznego, ale nowe badania pokazują, że tak nie jest.
Astronomowie dawniej uważali, że ULX-y mogą być czarnymi dziurami, ale M82 X-2 to gwiazda neutronowa, czyli ciało tak gęste, że grawitacja na jej powierzchni jest miliardy razy silniejsza niż na Ziemi. Ta intensywna grawitacja oznacza, że jakikolwiek materiał przyciągnięty na powierzchnię martwej gwiazdy eksploduje. "Pianka zrzucona na powierzchnię gwiazdy neutronowej uderzyłaby w nią z energią tysiąca bomb wodorowych", pisze NASA. Zespół badawczy uważa, że coś musi się dziać z M82 X-2, co pozwala łamać limit Eddingtona. Jeden z nowszych pomysłów polega na tym, że intensywne pole magnetyczne gwiazdy neutronowej zmienia kształt jej atomów, pozwalając gwieździe utrzymać jednorodność w miarę jak staje się coraz jaśniejsza.
Gwiazda neutronowa powstaje, gdy dużej gwieździe kończy się paliwo i wybucha, pozostawiając za sobą bardzo gęstą pozostałość. Zazwyczaj gwiazda neutronowa może zawierać niewiele więcej niż dwukrotność masy Słońca, zanim ulegnie kolapsowi grawitacyjnemu, tworząc czarną dziurę. Jednak, gdy dwie gwiazdy neutronowe w układzie podwójnym łączą się, ich łączna masa może przekroczyć ten limit, ale tylko na krótko, a etap ten jest trudny do zauważenia. Kiedy sparowane gwiazdy neutronowe zderzają się, uwalniają rozbłysk świetlny, zwany kilonową, tsunami fal grawitacyjnych i krótki wybuch promieniowania gamma (GRB), który zwykle trwa mniej niż dwie sekundy. A jeśli, jak przewidują symulacje komputerowe, hipermasywne gwiazdy neutronowe mogą tworzyć się początkowo przed zapadnięciem się w czarną dziurę, to dowody na istnienie tych odbierających grawitację ciał można znaleźć w oscylacjach częstotliwości promieniowania gamma.
Według niedawnej publikacji w "Nature", badaczom udało się właśnie znaleźć sygnały hipermasywnych gwiazd neutronowych w danych pochodzących z nieczynnego już satelity Compton Gamma-Ray Observatory. Nazwane GRB 910711 i GRB 931101B. Fale grawitacyjne emitowane podczas fuzji pozbawiają hipermasywną gwiazdę neutronową części jej momentu obrotowego, zmniejszając jej rotację na tyle, by grawitacja przejęła kontrolę. Czas życia hipermasywnej gwiazdy neutronowej wynosiłby kilkaset milisekund. Zarazem byłyby to najszybciej obracające się gwiazdy we Wszechświecie, wykonując jeden obrót w ciągu 1,5 milisekundy lub mniej.
Niewykluczone, że zjawiska te można powiązać z inną dręczącą astronomów od kilkunastu lat tajemnicą, czyli FRB, krótkimi rozbłyskami energii radiowej, które mogą swoją intensywnością przyćmić całe galaktyki, trwając przy tym zaledwie ułamki sekund. Niedawno, w publikacji opublikowanej w czasopiśmie "Nature Astronomy", w marcu 2023 r., po raz pierwszy astronomowie powiązali te tajemnicze impulsy energii z falami w czasoprzestrzeni emitowanymi przez zapadające się, zderzające się gwiazdy.
FRB, odkryte w 2007 roku, były w przeszłości wiązanego m.in. z tzw. magnetarami, bardzo gęstymi, jądrami eksplodujących gwiazd (gwiazdy neutronowe) silnych polach magnetycznych. Z czasem obserwacje zaczęły sugerować, że może istnieć wiele możliwych źródeł, np. kolizje gwiazd neutronowych. W kwietniu 2019 roku obserwatorium Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) wykryło fale grawitacyjne pochodzące z fuzji gwiazd neutronowych oznaczonej jako GW190425. Kilka godzin później, kanadyjski Eksperyment Mapowania Intensywności Wodoru (CHIME) zauważył jasny, niepowtarzający się FRB z tego samego regionu przestrzeni. "Odkryliśmy, że wybuch fal radiowych, trwający jedną tysięczną sekundy, został wygenerowany dwie i pół godziny po połączeniu się dwóch gwiazd neutronowych", powiedział serwisowi "Live Science" współautor badania Clancy James z Uniwersytetu Curtin w Australii. "Nasza teoria mówi, że ten wybuch fal radiowych nastąpił, ponieważ fuzja stworzyła ‘supermasywną’ gwiazdę neutronową, która, gdy jej spin zwolnił, zapadła się w czarną dziurę". Według Jamesa, wyniki te wskazują, że istnieją co najmniej dwie różne rodziny FRB, jednorazowe, pochodzące z kataklizmów, takich jak fuzje gwiazd neutronowych, oraz powtarzające się FRB produkowane przez magnetary lub inne nieznane źródło.
Niszczyciel światów
W głębokim kosmosie istnieją zdumiewające i przerażające ogromem obiekty, takie jak supermasywne czarne dziury, magnetary czy rozbłyski promieniowania gamma. Jednak już od lat astronomowie i fizycy sugerują, że może tam czaić się coś jeszcze bardziej przerażającego, coś zdolnego do niszczenia całych galaktyk. Udało się, być może, znaleźć jeden z takich obiektów, który w dodatku najwyraźniej znajduje się nie tak daleko od nas. Przynajmniej tak się wydaje astronomom.
Obserwacje, o których mowa, dotyczą niewielkiej gwiazdy neutronowej w naszej Galaktyce, oddalonej około 10,5 tys. lat świetlnych, zwanej HESS J1731-347. Astronomowie korzystali z danych z sondy Gaia, by ocenić, jak daleko się znajduje i połączyli tę odległość z jasnością pozorną gwiazdy, by obliczyć jej rozmiar i masę. Ku ich zaskoczeniu okazało się, że gwiazda ta znajduje się bliżej Ziemi, niż wcześniej sądzono i waży 0,77 masy słonecznej, co oznacza, że jest zdecydowanie za mała na gwiazdę neutronową, gdyż zakłada się, że takie muszą mieć co najmniej 1,1 masy Słońca. Z technicznego punktu widzenia powinna być niewyraźnym białym karłem. Jednak HESS J1731-347 jest na to zdecydowanie zbyt jasna, dlatego początkowo oznaczono ją jako gwiazdę neutronową. Ale na taką też się nie nadaje, więc astronomowie uważają, że to ni mniej, ni więcej niż tak zwana "gwiazda dziwna".
W przypadku gwiazd ciągu głównego, takich jak Słońce, synteza paliwa wodorowego w ich jądrach wytwarza ciśnienie zewnętrzne potrzebne do ich stabilizacji. Niektórym gwiazdom kończy się wodór i zaczynają się zapadać, ale ciśnienie w ich jądrach jest wystarczająco wysokie, aby przekształcić materię w neutrony. Te odpychają się od siebie wzajemnie dzięki silnemu oddziaływaniu jądrowemu, co tworzy ciśnienie zewnętrzne powstrzymujące je przed zapadnięciem się w czarną dziurę. Jednak w szczególnie masywnych gwiazdach neutronowych występuje dodatkowe ciśnienie powodujące dysocjację neutronów i przeobrażenie się ich w zupę kwarkową. Niektóre z kwarków w jądrach ciężkich gwiazd neutronowych losowo zmieniają się w kwarki dziwne (2). Przeobrażenie to, jak zakładają uczeni, jest "zaraźliwe" - kolejne sąsiadujące kwarki zamieniają się w kwarki dziwne, i tak dalej, aż całe jądro gwiazdy stanie się gigantyczną zlepkiem kwarków dziwnych.
Powstała tak "dziwna materia" jest gęstsza niż materia w zwykłej gwieździe neutronowej, co oznacza, że dziwne gwiazdy mogą mieć znacznie mniejsze rozmiary niż gwiazdy neutronowe o równoważnej masie. Ale co najdziwniejsze, dziwna materia jest niezwykle stabilna. Być może jest to najbardziej stabilna forma materii z możliwych. Oznacza to, że gdyby uciekła z gwiazdy, nie zmieniłaby się w zwykłą materię, tak jak zrobiłaby to materia gwiazdy neutronowej, lecz pozostałaby nadal gęstą bryłą dziwnych kwarków. Gdyby dziwna gwiazda zderzyła się z inną, wyrzuciłaby w przestrzeń ogromne ilości dziwnej materii. Jeśli ta wyrzucona dziwna materia wejdzie w interakcję ze zwykłą materią, to jak przewidują badacze, protony, neutrony i elektrony w zwykłej materii będą dysocjować, zamieniając się w kwarki, a następnie w dziwne kwarki i w dziwną materię. Tak przekształcona materia może następnie przekształcić każdą inną regularną materię, z którą wejdzie w kontakt… w dziwną materię. Czyli, jeśli dziwna materia wydostanie się z jednej z tych gwiazd, może stopniowo zainfekować całą galaktykę, w której przebywa i zamienić ją w jednorodną i nieaktywną dziwną materię.
Wszystko to opiera się na naszych obecnych teoriach cząstek i nie wiemy jeszcze, czy dziwne gwiazdy rzeczywiście istnieją, ponieważ nigdy ich nie zaobserwowaliśmy. Choć wyniki obserwacji sugerują, że HESS J1731-347 jest dziwną gwiazdą, potrzebujemy więcej dowodów. HESS J1731-347 może być tylko niewielką gwiazdą neutronową, a my powinniśmy zweryfikować nasze definicje.
Nici rozciągnięte w przestrzeni
Nawet jeśli obiekt opisany wyżej nie jest "gwiazdą dziwną", dziwnych zjawisk w naszej kosmicznej okolicy nie brakuje. Na przykład tajemnicze namagnetyzowane smugi, które najpierw zaobserwowaliśmy, jak przecinają naszą Drogę Mleczną, a potem okazało się, że wyłaniają się z innych galaktyk, mając rozmiary, które zdumiewają. Astrofizyk Farhad Yusuf-Zadeh z Uniwersytetu Northwestern w USA odkrył te zjawiska w Drodze Mlecznej w latach 80. XX wieku. Według niego istnieją dwa możliwe ich wyjaśnienia. Pierwsze to interakcja między wiatrami galaktycznymi a dużymi chmurami gazu, a drugie to turbulencje w słabych polach magnetycznych pobudzanych przez ruch galaktyki. Do tej pory odkryto około tysiąca takich smug tylko w Drodze Mlecznej. Rozciągają się na długość do 150 lat świetlnych, tworząc zastanawiająco regularny wzór, niczym struny harfy. Obserwacje radiowe ujawniły, że nici te zawierają elektrony wirujące w polach magnetycznych z prędkością światła oraz że pola magnetyczne są wzmacniane wzdłuż całej długości wszystkich nici.
Smugi odkryte poza Drogą Mleczną różnią się od tych w naszej Galaktyce. "Niektóre z nich mają niesamowitą długość, do 200 kiloparseków", podaje w "Astrophysical Journal Letters" Yusuf-Zadeh. "To około czterech lub pięciu razy więcej niż rozmiary całej Drogi Mlecznej. Niezwykłe jest to, że elektrony tworzą tę formację w tak wielkiej skali. Gdyby elektron poruszał się z prędkością światła po tej nici, zajęłoby mu to 700 tys. lat. A nie poruszają się z prędkością światła". Są one również starsze, a ich pola magnetyczne są słabsze. Rozciągają się daleko w przestrzeń międzygalaktyczną. Nici Drogi Mlecznej wydają się skupione na dysku galaktycznym. "Wszystkie te nici poza naszą galaktyką są bardzo stare", ocenia Yusuf-Zadeh.
Tajemnicze fenomeny kosmiczne wykrywa się też nie tak daleko od Ziemi. Wiosną 2023 r. naukowcy zauważyli powtarzający się sygnał radiowy z pobliskiego systemu gwiezdnego, który wskazuje na obecność pola magnetycznego wokół jednej z jego planet wielkości Ziemi (3). Odkrycie pola magnetycznego, kluczowego elementu systemu chroniącego życie na Ziemi, coś znaczy. Pole magnetyczne Ziemi odegrało krytyczną rolę w przetrwaniu życia, osłaniając powierzchnię przed szkodliwym promieniowaniem Słońca i pomagając utrzymać stabilną atmosferę, która odżywia naszą biosferę. Z tego powodu naukowcy uważają, że życie pozaziemskie, jeśli istnieje, może również zależeć od obecności silnych pól magnetycznych wokół egzoplanet, które są światami krążącymi wokół innych gwiazd. Wcześniej udało się już zaobserwować pola magnetyczne gigantycznych egzoplanet wielkości Jowisza oddziałujące z ich gwiazdami, jako część procesu zwanego magnetycznym oddziaływaniem gwiazda-planeta (SPI).
zdjęcie: stock.adobe.com
Świadczące o istnieniu pola magnetycznego radiowe sygnały ze znacznie podobniejszej do Ziemi egzoplanety YZ Ceti b przedstawili Sebastian Pineda z Uniwersytetu Kolorado w Boulder oraz Jacqueline Villadsen z Uniwersytetu Bucknell. Planeta znajduje się zaledwie 12 lat świetlnych od naszego Układu Słonecznego i niewątpliwie jej potencjalne podobieństwo do Ziemi budzi emocje.
Mirosław Usidus
