Czarne dziury rosną, żywiąc się materiałem, który przyciągają do nich intensywne pola grawitacyjne. Ten nadchodzący posiłek zbiera się w dysk gorącego gazu i pyłu — taki, który migocze jak ognisko. Astronomowie odkryli teraz, że monitorowanie zmian w tych migotaniach może ujawnić coś, co okazało się bardzo trudne do zmierzenia: ciężar behemota.
„To nowy sposób ważenia czarnych dziur” — mówi Colin Burke. Jest astronomem na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign. Ta metoda może zostać wykorzystana do pomiaru dowolnego obiektu niebieskiego za pomocą dysku akrecyjnego, mówi jego zespół. Może nawet pomóc w odkryciu długo poszukiwanych średnich czarnych dziur.
Nie jest łatwo zmierzyć masę czarnej dziury. Po pierwsze, te ciemne olbrzymy są naprawdę trudne do zauważenia. Ale czasami czarna dziura ujawnia się podczas jedzenia. Gdy wpadają do niej gaz i pył, materiał ten organizuje się w dysk. Po drodze materiał ten nagrzeje się do biało gorących temperatur. W niektórych przypadkach dysk ten może przyćmić wszystkie połączone gwiazdy, które znajdują się w galaktyce macierzystej czarnej dziury.
Jest inny sposób pomiaru czarnej dziury. Jej średnica może ujawnić masę, korzystając z ogólnej teorii względności Einsteina. Jednak tylko teleskop Event Horizon Telescope obejmujący cały glob był w stanie dokonać tego rodzaju pomiaru. I do tej pory robiono to tylko dla jednej czarnej dziury. Inne czarne dziury zostały zważone poprzez obserwacje ich wpływu na otaczającą je materię. Ale to wymaga dużej ilości danych i nie działa dla każdej supermasywnej czarnej dziury.
Mając nadzieję na znalezienie innego sposobu, zespół Burke’a zwrócił się do dysków akrecyjnych.
Te tajemnicze migotanie
Astronomowie nie są pewni, dlaczego dyski czarnych dziur migoczą. Wygląda na to, że niewielkie zmiany światła łączą się, aby rozjaśnić lub przyciemnić cały dysk na przestrzeni czasu. Wcześniejsze badania sugerowały, że czas potrzebny do zaniku, rozjaśnienia i ponownego zaniku dysku jest związany z masą jego głodnej czarnej dziury. Ale te twierdzenia były kontrowersyjne. Nie obejmowały również pełnego zakresu mas czarnych dziur, mówi Burke.
Dlatego wraz z kolegami zebrał obserwacje 67 aktywnie odżywiających się czarnych dziur. Masa każdej była już znana. Ich masy przekraczały od 10 000 do 10 miliardów razy więcej niż nasze Słońce. W przypadku najmniejszej z tych czarnych dziur migotanie zmieniało się w skali od godzin do tygodni. Supermasywne czarne dziury o masach od 100 do 10 miliardów mas Słońca migotały wolniej. Czas każdego migotania może trwać kilkaset dni.
To była wskazówka, mówi Burke. Jeśli ta zależność dotyczy pełnego zakresu supermasywnych czarnych dziur, mówi – od małych do dużych – to „może to rodzaj uniwersalnej cechy”.
Z ciekawości jego zespół również przyjrzał się białym karłom. Są to zwarte zwłoki gwiazd, które mogły początkowo być wielkości Słońca. Teraz są znacznie mniejsze — należą do najmniejszych obiektów, które konsekwentnie przechowują dyski akrecyjne. Zespół Burke’a odkrył, że dyski białego karła mają tę samą nowo odkrytą zależność między prędkością migotania a masą.
Czarne dziury, które badali naukowcy, nie obejmowały całego możliwego zakresu mas. Niewiele czarnych dziur zostało zidentyfikowanych o masach od 100 do 100 000 mas Słońca. W tym zakresie jest kilku potencjalnych kandydatów. Do tej pory tylko jeden został potwierdzony. W przyszłości to powiązanie między migotaniem dysku a masą czarnej dziury może dokładnie powiedzieć astronomom, jakie tempo migotania dysku należy szukać podczas polowania na średniej wielkości bestie – jeśli w ogóle istnieją, mówi Burke.
Vivienne Baldassare jest astrofizykiem, pracuje na Washington State University w Pullman. Bada czarne dziury w galaktykach karłowatych. Galaktyki te mogą zachować niektóre właściwości dawnych czarnych dziur, które powstały we wczesnym wszechświecie. Odkryła, że jednym z jej największych wyzwań jest mierzenie mas czarnych dziur. „Super ekscytujące wyniki nowego badania… będą miały duży wpływ na moje badania i oczekuję również wielu innych” – mówi.
Burke mówi, że metoda migotania jest prostsza niż jakakolwiek wcześniejsza technika ważenia czarnych dziur. Ale, ostrzega, niekoniecznie jest szybsza. Na przykład bardziej masywne czarne dziury potrzebowałyby setek dni obserwacji, a być może lat, aby wydobyć tempo migotania, które może ujawnić ich masę.
Nadchodzące obserwatoria już jednak planują zbieranie takich danych. Oczekuje się, że obserwatorium Vera C. Rubin zacznie obserwować całe niebo każdej nocy w ciągu roku lub dwóch. Kiedy będzie działać wystarczająco długo, dane potrzebne do zważenia czarnych dziur „wypadną za darmo”, mówi Burke. „Już budujemy to obserwatorium. Równie dobrze możemy to zrobić”.
