Czym są czarne dziury o masie pośredniej i dlaczego tak trudno je znaleźć?

Czarne dziury o masie pośredniej (IMBH) od lat pozostają jednym z największych brakujących elementów współczesnej astrofizyki. Dzięki mikrosoczewkowaniu grawitacyjnemu szybkich rozbłysków radiowych (FRB) astronomowie znaleźli nowe potencjalne ślady istnienia tych niezwykle trudnych do wykrycia obiektów.

Rodzaje czarnych dziur

Astrofizycy uważają, że czarne dziury tworzą hierarchię ze względu na ich masę. Największe z nich to supermasywne czarne dziury (supermassive black holes – SMBH), takie jak ta znajdująca się w centrum Drogi Mlecznej i innych galaktyk. Gwiazdowe czarne dziury (stellar black holes) powstają w wyniku zapadania się gwiazd i są mniejsze. Najmniejsze ze wszystkich są teoretyczne pierwotne czarne dziury (primordial black holes – PBH), które mogły powstać jedynie w niezwykłych warunkach fizycznych wczesnego Wszechświata.

Naukowcy wskazują również, że istnieją czarne dziury o masie pośredniej (intermediate mass black holes – IMBH), które zajmują miejsce pomiędzy czarnymi dziurami o masie gwiazdowej a supermasywnymi czarnymi dziurami. Ich masy teoretycznie powinny wynosić od 10² do 10⁵ mas Słońca. Jednak nigdy w pełni nie potwierdzono ich istnienia. Badacze w 2008 roku znaleźli dowody na to, że jedna z nich może znajdować się w gromadzie kulistej Omega Centauri, jednak późniejsze badania podważyły to twierdzenie. Obecnie istnienie IMBH pozostaje więc niepotwierdzone.

Poszukiwanie czarnych dziur o masie pośredniej

W ramach nowego badania astronomowie pod kierownictwem Huana Zhoua z Yangtze University opracowali nową metodę poszukiwania czarnych dziur o masie pośredniej, która może pomóc po raz pierwszy potwierdzić istnienie tych niezwykłych obiektów. Badanie zostało opublikowane w serwisie arXiv.

„Czarne dziury o masie pośredniej są brakującym ogniwem w kosmicznej hierarchii czarnych dziur, wypełniając lukę pomiędzy czarnymi dziurami o masie gwiazdowej a tymi supermasywnymi. Mogą one również posłużyć do badania tzw. silnego pola grawitacyjnego, czyli obszarów, w których czasoprzestrzeń jest silnie zakrzywiona przez ekstremalne oddziaływania grawitacyjne. Jednak IMBH pozostają populacją niezwykle trudną do wykrycia” – podkreślają naukowcy.

Astronomowie w nowym badaniu zaproponowali, że czarne dziury o masie pośredniej można wykrywać dzięki mikrosoczewkowaniu grawitacyjnemu szybkich rozbłysków radiowych (FRB). FRB to krótkotrwałe sygnały radiowe trwające od ułamka sekundy do około 3 sekund. Prawdopodobnie ich źródłem są wysokoenergetyczne procesy astrofizyczne, których natura wciąż nie została w pełni poznana.

W badaniu naukowcy wykorzystali katalog FRB stworzony dzięki radioteleskopowi Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME), w którym znaleźli dwa sygnały mikrosoczewkowania, mogące wskazywać na obecność IMBH.

„Szacowane masy obiektów, od których pochodziły te dwa sygnały, wynosiły odpowiednio około 539–609 mas Słońca oraz około 1544–2571 mas Słońca. Obie wartości mieszczą się w zakresie mas przewidywanych dla czarnych dziur o pośredniej masie” – twierdzą astronomowie.

Potrzeba lepszego zrozumienia szybkich rozbłysków radiowych

Badacze wskazują, że jeśli na drodze sygnału nie znalazły się żadne struktury pośredniczące, takie jak galaktyki lub gromady galaktyk, to te IMBH mogą mieć pierwotne pochodzenie. Wynika to z faktu, że są odizolowane i nie znajdują się wewnątrz żadnej galaktyki – w takim wypadku byłyby to pierwotne czarne dziury.

Interpretacje te mają jednak zastosowanie tylko wtedy, gdy są to rzeczywiste zdarzenia mikrosoczewkowania, a wykryta para IMBH jest odizolowana i nie znajduje się wewnątrz galaktyki lub gromady galaktyk. Aby ustalić, czy tak jest, astrofizycy potrzebują lepszego zrozumienia tego, czym są szybkie rozbłyski radiowe.

„Dlatego bardziej szczegółowe dane obserwacyjne dotyczące FRB, wraz z głębszym zrozumieniem tego, czy wewnętrzne mechanizmy ich emisji mogą wytwarzać sygnały przypominające soczewkowanie, będą kluczowe dla ustanowienia tego efektu jako narzędzia do badania IMBH” – podsumowują naukowcy.

Emil Gołoś