Naukowcy, wśród których znajduje się profesor Stanisław Zoła z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego, opisują w najnowszym numerze amerykańskiego czasopisma naukowego "Astrophysical Journal Letters" wyniki swoich badań dotyczących właściwości czarnych dziur.

Ostatnie obserwacje przewidywanego pojaśnienia odległej galaktyki przeprowadzone przez Kosmiczny Teleskop Spitzera potwierdziły hipotezę istnienia pary masywnych czarnych dziur w galaktyce OJ287, emitującej nano-hercowe (nHz) fale grawitacyjne. Obserwacje te wspierają międzynarodowe wysiłki na rzecz bezpośredniego wykrywania takich fal. Dane dostarczone przez Teleskop Spitzera potwierdzają również unikalną właściwość czarnych dziur odkrytą przez Stephena Hawkinga i jego współpracowników.

W najnowszym numerze "Astrophysical Journal Letters"  wyniki swoich badań związanych z tą tematyką opisują naukowcy, wśród których znajduje się profesor Stanisław Zoła z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego.

W ubiegłym roku opublikowany został pierwszy obraz, przedstawiający czarną dziurę w pobliskiej galaktyce M87, wykonany dzięki obserwacjom Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (ang. Event Horizon Telescope, EHT). Widać na nim czarny środek z jasnym pierścieniem światła wokół niego. Czy jest to jednak obraz prawdziwej czarnej dziury, takiej, jaką opisuje Ogólna Teoria Względności (OTW) Alberta Einsteina? By być za taki uznany, ten czarny obiekt musi spełniać określone wymagania. Można go jednoznacznie scharakteryzować tylko trzema parametrami możliwymi do zaobserwowania: masą, ładunkiem elektrycznym i momentem pędu. Wszystkie inne informacje o materii , która uformowała czarną dziurę lub wpadła do niej, "znikają" za horyzontem zdarzeń czarnej dziury i są niedostępne dla zewnętrznych obserwatorów. Innymi słowy, obiekt musi być idealnie gładki, niedozwolone są żadne "nierówności" na powierzchni. To wymaganie stało się znane jako "twierdzenie o braku włosów" (nazwa pochodzi od żartobliwego hasła wymyślonego przez John Wheelera, fizyka z uniwersytetu w Princeton, który stwierdził, że "czarne dziury nie mają włosów"). Zostało ono po raz pierwszy sformułowane na przełomie lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku przez Wernera Izraela i Brandona Cartera oraz Stephena Hawkinga.

Prosty sposób udowodnienia poprawności twierdzenia został zaproponowany przez Kipa Thorne'a z California Institute of Technology (Caltech) około dziesięciu lat później. Postulował on, by z wielką precyzją badać ruch satelity okrążającego czarną dziurę. Jeśli ma ona jakieś "nierówności" lub "włosy", wówczas orbita satelity zostanie skręcona w określony sposób. Należało więc odkryć satelitę, który krąży wokół potencjalnego kandydata na czarną dziurę. Taki satelita rzeczywiście został odkryty w 1988 r. w kwazarze o nazwie OJ287. Co ciekawe, satelita sam jest … czarną dziurą, ale mniej masywną niż badana główna czarna dziura, dlatego może być wykorzystany jako obiekt testowy. Od tego czasu, przez 30 lat orbita satelity była intensywnie badana. Po licznych kampaniach obserwacyjnych, prowadzonych głównie przez Mauri Valtonena i jego współpracowników orbita satelity została ostatecznie wyznaczona z dokładnością wymaganą do przetestowania "twierdzenia o braku włosów".

Informacja o ruchu satelity ma postać sygnałów - rozbłysków, które powstają, gdy satelita przebija warstwę gazu otaczającą główną czarną dziurę. Trudno przeoczyć te sygnały gdyż emisja światła z OJ287 w szybkim czasie wzrasta o wartość, która odpowiada włączeniu biliona słońc w ciągu jednego dnia, tj. więcej niż wynosi jasność całej galaktyki. Sygnał jest również łatwy do rozpoznania, ponieważ generowane przez OJ287 światło jest niebieskie. Wyznaczenie dokładnej godziny, w której pojawia się sygnał, pozwala określić szczegóły orbity satelity, a tym samym zbadać słuszność "twierdzenia o braku włosów".

Rozbłysk generowany przez mniejszą czarną dziurę w układzie miał pojawić się 31 lipca 2019 r. Niestety, w tym czasie niemożliwe było badanie OJ287 z Ziemi (w lecie obiekt był widoczny zbyt blisko Słońca). Na szczęście do pomiarów można było wykorzystać obserwatorium kosmiczne Spitzera (obsługiwane przez NASA, JPL i Caltech), które było na tyle oddalone od Ziemi, że mogło bez problemu przyjrzeć się OJ287. Grupa naukowców pod przewodnictwem Seppo Laine z Caltech wykorzystała Teleskop do monitorowania OJ287 w okresie od 31 lipca do 3 września. Odkryli oni nie tylko zakładany wzrost jasności sygnału, ale stwierdzili również, że pojawił się on z bardzo małą różnicą, wynoszącą jedynie 2,5 godziny, w stosunku do przewidywań. Zatem moment rozbłysku pokrył się w zasadzie z przewidywaniami i dlatego możemy wnioskować, że w głównej czarnej dziurze nie mogło być żadnych znaczących włosów. Nawet małe odchylenia na poziomie 15% na powierzchni czarnej dziury, wytrąciłyby bowiem satelitę z kursu i przesunęłyby czas wzrostu sygnału poza obserwowane granice.

W ten sposób udowodniono, że supermasywna czarna dziura z układu OJ287 jest rzeczywiście czarną dziurą opisaną przez Ogólną Teorię Względności, a co za tym idzie, z dużym prawdopodobieństwem to samo można powiedzieć o czarnej dziurze w galaktyce M87 i innych galaktykach, w których podejrzewa się istnienie takich obiektów.

Obserwacje satelitarne uzupełniono o dane naziemnych teleskopów. W ten sposób udało się sprawdzić kolor emitowanego światła. Rzeczywiście, podczas fazy spadku jasności kolor był niebieski. Świadczyło to o tym, że sygnał został wyemitowany z obłoku gazu o bardzo wysokiej, rzędu 300 tys. kelwinów, temperaturze (50 razy przewyższającej temperaturę powierzchni Słońca), a pochodził z obszaru, który jest około dwa razy większy od naszego Układu Słonecznego. Bardziej masywna czarna dziura w układzie OJ287 ma ogromny promień, około dziewięć razy większy od Układu Słonecznego. Nawet z odległości 3,5 miliarda lat świetlnych od nas, jej otoczenie jest wciąż na tyle jasne, że można je zobaczyć nawet przy pomocy małych teleskopów amatorskich.

Wyniki opisywanych badań przygotowały grunt pod planowane bezpośrednie zobrazowanie pary czarnych dziur w OJ287 przez Teleskop Horyzontu Zdarzeń, a także stanowią wyzwanie dla międzynarodowego projektu International Pulsar Timing Array (IPTA), którego celem jest wykrycie nano-hercowych fal grawitacyjnych pochodzących z tego i podobnych podwójnych układów masywnych czarnych dziur.