Najjaśniejsze obiekty we Wszechświecie to… czarne dziury!

Na ilustracji: Wizja czarnej dziury wystrzeliwującej błyskawice ze swoich biegunów. W rzeczywistości takich piorunów powinno być tak dużo, że nie dałoby się ich rozdzielić. Układałyby się one w bardziej jednolity dżet. W tekście wyjaśniamy, dlaczego świecenie rozbłysków gamma może wykazywać podobne zachowanie. (Źródło: Bing/AI)

Obiekty tego typu są wyjątkowo jasne, a ich poświaty są widoczne nawet do kilkudziesięciu dni. Okazuje się, że ilość energii którą wyświecają, jest większa niż energia, którą nasze Słońce wyemituje w ciągu całego swojego życia. Uważa się przez to, że są to wybuchy bardzo masywnych gwiazd, które na ostatnim etapie ewolucji wyczerpują swoje paliwo. Wiemy, że ciśnienie światła powstrzymuje typową gwiazdę przed grawitacyjnym zapadaniem się, jednak gdy gwiazda traci możliwość świecenia na skutek wyłączenia procesów nukleosyntezy zachodzących w jej jądrze, zaczyna się zapadać. W przypadku najmasywniejszych gwiazd takie zapadanie skutkuje szybkim utworzeniem się czarnej dziury w jej środku. Początkowa faza takiej implozji prowadzi do bardzo jasnych rozbłysków, które trwają do kilku minut. Jednak obserwujemy światło z tych zdarzeń jeszcze nawet przez miesiące po śmierci gwiazdy. Skąd zatem bierze się ta długotrwała poświata?

Pierwotna gwiazda obracała się wokół własnej osi przed zapadnięciem się. Wszystkie gwiazdy we Wszechświecie rotują z różnymi prędkościami. Zatem gdy z gwiazdy powstaje czarna dziura, musi ona odziedziczyć po niej moment pędu. W dodatku gdy zmniejszymy rozmiar obracającego się obiektu, zgodnie z zasadą zachowania momentu pędu będzie się on obracał szybciej. Utworzona czarna dziura musi zatem bardzo szybko rotować. Jednocześnie inna wielkość fizyczna zachowuje się podobnie – jest to pole magnetyczne. Tak jak prędkość rotacji, pole magnetyczne nie znika, ale znacząco wzrasta wraz ze skurczeniem się rozmiarów obiektu. Zostaje ono uwięzione wokół czarnej dziury przez resztki opadającej materii z gwiazdy, nawinięte na przestrzeń wokół czarnej dziury. Okazuje się, że podobnie do działania dynama w rowerze, to pole magnetyczne potrafi odebrać trochę energii czarnej dziurze, a następnie przekazać ją cząstkom takim jak elektrony, dzięki czemu mogą one wyemitować światło.

Błyskawice z czarnych dziur

Gdy elektrony są przyspieszane, zaczynają świecić. Mamy z tym do czynienia często w życiu codziennym. Właśnie na tej podstawie działają anteny: elektrony są w nich odpowiednio poruszane za pomocą zmiennego napięcia i emitują wówczas promieniowanie radiowe (fotony o niskich energiach). W przypadku rozbłysków gamma elektrony są przyspieszane przez gigantyczne pola magnetyczne. Dlatego też są one zdolne do wystrzeliwania fotonów o ogromnych energiach. Największa zaobserwowana przez nas energia fotonu z rozbłysku gamma to aż 18 TeV. Co prawda, piłka kopnięta przez Roberta Lewandowskiego ma miliard razy większą energię, ale rozbłysk gamma emituje takich fotonów bardzo dużo. I tak możemy przeliczyć, że cała energia rozbłysku gamma wynosi tyle, ile energia 10⁴² piłek kopniętych przez Lewandowskiego.

Ale to nie wszystko. Taki foton jest bardzo niestabilny i może wyprodukować parę cząstek elektron-antyelektron. Cząsteczki te następnie są znowu przyspieszane w polu magnetycznym i emitują kolejne wysokoenergetyczne fotony. Cały proces powtarza się w kółko i w rezultacie powstają całe lawiny fotonów. Można wyobrażać sobie, że to zjawisko może wyglądać jak pioruny wystrzeliwane z okolic czarnej dziury. Na pewno nikt nie chciałby stanąć na drodze tego wysokoenergetycznego dżetu. Istnieją nawet teorie, że właśnie uderzenie takiego dżetu spowodowało w przeszłości epizod wielkiego wymierania na Ziemi: Czy wybuch gamma spowodował wielkie wymarcie w ordowiku?

Krzywa jasności

W miarę świecenia czarna dziura traci swoją energię kinetyczną rotacji. Z tego powodu obraca się coraz wolniej, a zarazem świeci coraz słabiej. Obserwujemy więc bardzo charakterystyczny kształt spadku jej jasności. Przykład jest pokazany na poniższym rysunku.

Wytłumaczenie, że to czarna dziura stoi za takim a nie innym kształtem krzywej blasku rozbłysku gamma, jest jednym z najistotniejszych wniosków zawartych w naszym nowym artykule. Badania te pomogą nam w przyszłości zrozumieć, skąd biorą się czarne dziury, które obserwujemy za pomocą fal grawitacyjnych. Ponadto, dokładne analizowanie kształtów tych krzywych blasku pozwoli na sprawdzenie, jak akrecja zmienia się w czasie. To natomiast da nam wgląd w wewnętrzną strukturę najbardziej masywnych gwiazd we Wszechświecie – tuż przed ich śmiercią. Rozbłyski gamma po raz kolejny okazują się znakomitym narzędziem do badania praw rządzących naszym Wszechświatem.