Originile misterioase ale celor mai mari găuri negre din Univers. Au o masă de miliarde de ori mai mare decât a Soarelui

Sunt cele mai mari găuri negre din Universul cunoscut, de miliarde de ori mai masive decât Soarele nostru, dar se știe puțin despre modul în care acești monștri se formează și de ce cresc atât de mari. Noi telescoape și tehnici ne oferă un nou mod de a privi acești giganți, relatează BBC.

La jumătatea distanței dintre centrul Delfinului și copita posterioară a lui Pegas, calul zburător, o rotiță se mișcă prin spațiu. Timp de miliarde de ani, brațele spiralate ale galaxiei UCG 11700 s-au rotit netulburate de coliziunile și fuziunile care au deformat multe alte galaxii.

Dar ceva neobișnuit se ascunde în mijlocul ei. În centrul acestei frumoase roți cosmice se află unul dintre cele mai misterioase obiecte din Univers – o gaură neagră supermasivă.

În timp ce găurile negre standard au de aproximativ patru ori masa Soarelui nostru, rudele lor enorme sunt de milioane – și uneori miliarde de ori mai mari.

Oamenii de știință cred că aproape fiecare galaxie mare are o gaură neagră supermasivă în centrul său. Numai că nimeni nu știe cum au ajuns acolo. Galaxia UCG 11700 s-ar putea dovedi utilă pentru a rezolva acest mister.

„Galaxiile ideale pentru studiul meu sunt cele mai frumoase spirale la care v-ați putea gândi”, spune Becky Smethurst, cercetătoare la Universitatea Oxford, care studiază găurile negre supermasive.

„Cele mai frumoase galaxii sunt cele care ne-ar putea ajuta să rezolvăm misterul modului în care cresc aceste găuri negre”, adaugă ea.

Studierea a ceva care, prin natura sa, este atât de dens încât nici lumina nu poate scăpa din centrul său, îngreunează învățarea despre el. Dar noile tehnici care caută efectele găurilor negre supermasive asupra obiectelor interstelare din jurul lor și chiar și asupra undelor pe care le creează în țesătura spațiului și a timpului oferă noi indicii.

Se știe, în principiu, cum se formează și cresc găurile negre. O stea pe moarte rămâne fără combustibil, explodează într-o supernovă, se prăbușește în ea însăși și devine atât de densă, încât nici chiar lumina nu poate scăpa de gravitatea sa uriașă. Ideea găurilor negre există de un secol și este descrisă în Teoria relativității generale a lui Albert Einstein.

În cultura populară, găurile negre sunt perfect întunecate și înfometate. Ele străpung Universul aspirând tot ce le stă în cale, devenind tot mai mari și mai vorace pe măsură ce cresc. Mister rezolvat, s-ar putea crede – găurile negre supermasive sunt pur și simplu cele mai înfometate și cele mai vechi.

Cu toate acestea, în realitate, găurile negre nu se ridică la înălțimea reputației lor monstruoase. Sunt surprinzător de ineficiente la aspirarea materialului înconjurător, chiar și într-un nucleu galactic dens. De fapt, stelele prăbușite cresc atât de încet, încât nu ar putea deveni supermasive doar absorbind material nou.

„Să presupunem că primele stele au format găuri negre la aproximativ 200 de milioane de ani după Big Bang. După ce au explodat, au apoi aproximativ treisprezece miliarde și jumătate de ani să crească de miliarde de ori mai mult decât masa Soarelui. Este un timp prea scurt pentru acest lucru”, spune Smethurst.

Uimtor este însă că găurile negre supermasive existau deja atunci când Universul era încă la început. Quasarii îndepărtați, unele dintre cele mai strălucitoare obiecte de pe cerul nopții, sunt de fapt găuri negre supermasive străvechi, care au dat foc nucleului unor galaxii aflate pe moarte. Unii dintre acești uriași au fost prezenți cel puțin de când Universul avea doar 670 de milioane de ani – într-un moment în care se formau unele dintre cele mai vechi galaxii cunoscute.

Astfel, găurile negre supermasive pot străluci mai puternic decât o întreagă galaxie de stele și pot produce chiar „rachete” de radiații ultraviolete, pe măsură ce consumă material în jurul lor.

Găurile negre au o graniță sferică, cunoscută sub numele de „orizont de evenimente”. În această sferă, lumina, energia și materia sunt prinse fără posibilitate de scăpare. Dar, chiar și în afara acestui orizont, o gaură neagră care se rotește poate transforma materialul din apropiere într-un disc rotitor, supraîncălzit. Ajungând la temperaturi mai mari de 10 milioane C, discul de acumulare dintr-un quasar eliberează radiații strălucitoare în spectrul electromagnetic.

„Găurile negre sunt cele mai eficiente motoare din Univers”, spune Marta Volonteri, cercetător la Institutul de Astrofizică din Paris.

„Transformă masa în energie cu o eficiență de până la 40%. Orice ardem cu carbon sau cu energie chimică – sau chiar ceea ce se întâmplă în stele – este doar o mică parte din ceea ce produce o gaură neagră,” adaugă ea.

Găurile negre supermasive nu îi fascinează însă pe oamenii de știință doar pentru eficiența lor energetică. Formarea și evoluția lor sunt în mod clar legate de dezvoltarea galaxiilor și de istoria mai amplă a întregului nostru Univers. Rezolvarea misterului acestor giganți cosmici ar reprezenta un pas semnificativ în efortul continuu al oamenilor de știință de a înțelege de ce lucrurile sunt așa cum sunt.

Eliberarea de energie este una dintre multele moduri prin care găurile negre își dezvăluie secretele. Când găurile negre fuzionează sau se ciocnesc cu obiecte mai puțin dense, cum ar fi stelele cu neutroni, evenimentele creează valuri în spațiu-timp numite unde gravitaționale. Aceste unde se deplasează în cosmos cu viteza luminii și au fost detectate pentru prima dată pe Pământ în 2015. De atunci, observatoare uriașe, cum ar fi observatoarele cu interferențe laser cu unde gravitaționale (Ligo) din Statele Unite și Virgo din apropiere de Pisa, Italia, au captat undele create de aceste coliziuni.

Dar aceste observatoare pot detecta numai valuri din găuri negre de dimensiuni relativ modeste.

„Ligo a detectat fuziuni de până la aproximativ 150 de mase solare”, spune Nadine Neumayer, care conduce grupul de cercetare Nuclee Galactice de la Institutul Max Planck pentru Astronomie.

„Există o lacună în datele despre ceea ce oamenii numesc „găuri negre cu masă intermediară”, de aproximativ 10.000 mai mari decât Soarele. Acestea ar putea fi de fapt „semințele” găurilor negre supermasive”, spune ea.

Găurile negre de masă intermediară s-ar fi putut forma la începuturile Universului, din prăbușirea norilor gigantici de gaz sau a coliziunilor de stele. Coliziuni succesive între aceste găuri negre de dimensiuni medii, combinate cu o acumulare rapidă a materialului înconjurător, le-ar fi putut accelera creșterea la scări supermasive.

Dar această teorie are probleme. Universul era, la începuturile sale, foarte fierbinte. Norii de gaz erau scăldați în radiații, oferindu-le, probabil, prea multă energie pentru a se prăbuși în ei înșiși. Și chiar și într-un cosmos dens, legile fizicii limitează în continuare rata maximă cu care găurile negre pot absorbi materia.

Volonteri spune că fiecare explicație actuală pentru găurile negre supermasive are „blocaje și dezavantaje” care împiedică oamenii de știință să ajungă la o concluzie definitivă.

„Teoriile care implică ceea ce numim „procese dinamice”, ceea ce înseamnă că o gaură neagră se formează din mai multe stele, nu doar una, sunt posibile, dar aceste procese trebuie să se întâmple în condiții foarte specifice”, spune ea.

„Există, de asemenea, teorii despre „găurile negre primordiale”, care ar fi putut să existe chiar înainte de a apariția stelelor. Dar acesta este un teritoriu complet necunoscut. Nu avem nicio dovadă observațională pentru a testa acest principiu”, spune ea.

„Dacă te gândești că quasarii aveau deja un miliard de mase solare când Universul avea un miliard de ani, este foarte greu să ajungi la aceste cifre”, spune ceretătoarea.

Ea crede că adevărata poveste a modului în care au apărut găurile negre supermasive nu a fost încă spusă.

„Cu cât săpăm mai mult, cu atât găsim mai multe probleme la ceea ce credeam că am înțeles. Ne lipsește ceva fundamental”, spune ea.

Editor : M.B.