TON 618: czarna dziura, którą warto zapamiętać

Czym jest TON 618?

TON 618 to ultramasywna czarna dziura znajdująca się w centrum odległego kwazara. Kwazar to aktywne jądro galaktyki, które emituje ogromne ilości energii i promieniowania z dysku akrecyjnego – wirującej warstwy gorącego gazu otaczającej czarną dziurę. Kwazary są jednymi z najjaśniejszych i najbardziej energetycznych obiektów we wszechświecie.

Nazwa TON 618 pochodzi od Tonantzintla 618 – numer katalogowy nadany temu obiektowi podczas przeglądu słabych gwiazd przeprowadzonego w Obserwatorium Tonantzintla w Meksyku. Na płytach fotograficznych wykonanych za pomocą 0,7-metrowego teleskopu Schmidta obiekt wyglądał na „zdecydowanie fioletowy” i został sklasyfikowany jako 618 pozycja w katalogu.

Klasyfikacja jako kwazar

W 1970 roku badanie radiowe wykryło emisję radiową z TON 618, sugerując że jest to kwazar. Marie-Helene Ulrich z Obserwatorium McDonald uzyskała widma optyczne TON 618, które pokazały linie emisyjne typowe dla kwazara. Z przesunięcia ku czerwieni linii Ulrich wywnioskowała, że TON 618 jest bardzo odległy, co czyni go jednocześnie jednym z najjaśniejszych znanych kwazarów.

TON 618 należy do rzadkiej kategorii ultramasywnych czarnych dziur (UMBH – Ultra Massive Black Hole), czyli obiektów o masie przekraczającej 10 miliardów mas Słońca. Jest to elitarna klasa kosmicznych behemotów, których istnienie jest ściśle powiązane z ewolucją galaktyk.

Jak duża jest TON 618?

Rozmiary TON 618 przekraczają ludzką wyobraźnię. Masa tej czarnej dziury wynosi co najmniej 66 miliardów mas Słońca, co czyni ją większą niż całkowita masa wszystkich gwiazd w Drodze Mlecznej szacowana na około 64 miliardy mas Słońca.

Porównanie z innymi obiektami kosmicznymi

Promień Schwarzschilda

Czarna dziura o takiej masie jak TON 618 posiada promień Schwarzschilda (promień horyzontu zdarzeń) mierzący 1300 jednostek astronomicznych, co przekłada się na średnicę około 390 miliardów kilometrów. To ponad 40 razy większa odległość niż orbita Neptuna wokół Słońca.

Pokonanie całego obwodu czarnej dziury TON 618 zajęłoby aż 71 dni i 14 godzin, ale tylko pod warunkiem poruszania się z prędkością światła. Horyzont zdarzeń to obszar, z którego nic – nawet światło – nie jest już w stanie się wydostać. To właśnie za tym horyzontem znajduje się największa tajemnica kosmosu.

Gdzie znajduje się TON 618?

TON 618 znajduje się w odległości około 10,4 miliarda lat świetlnych od Ziemi, blisko granicy gwiazdozbiorów Psów Gończych (Canes Venatici) i Włosów Bereniki (Coma Berenices). Z perspektywy obserwatora na Ziemi jest to część gwiazdozbioru nieba północnego.

Odległość 10,4 miliarda lat świetlnych oznacza, że światło, które obecnie dociera do nas z TON 618, zostało wyemitowane 10,4 miliarda lat temu, kiedy wszechświat miał zaledwie około 3,2 miliarda lat. Obserwujemy więc TON 618 w bardzo młodym wszechświecie, co czyni ten obiekt jeszcze bardziej fascynującym.

Jak astronomowie obliczyli masę TON 618?

Masa czarnej dziury TON 618 została obliczona na podstawie obserwacji linii emisyjnych zimnych gazów znajdujących się daleko poza dyskiem akrecyjnym. Linie te są niezwykle szerokie, co wskazuje że gaz przemieszcza się z ogromną prędkością.

Linie wodoru beta pokazują, że gaz porusza się z prędkością około 7000 kilometrów na sekundę. Oznacza to, że centralna czarna dziura musi wywierać bardzo dużą siłę grawitacyjną. Na bazie tych obserwacji spektroskopowych astronomowie obliczyli, że masa czarnej dziury TON 618 wynosi co najmniej 66 miliardów mas Słońca.

Jasność TON 618 – najjaśniejszy kwazar

TON 618 jest jednym z najodleglejszych i najjaśniejszych kwazarów znanych nauce. Jego absolutna wielkość gwiazdowa wynosi -30,7 magnitudo, co oznacza że świeci z jasnością 140 bilionów (140 000 000 000 000) razy większą niż nasze Słońce.

Ta niewiarygodna jasność nie pochodzi bezpośrednio z czarnej dziury – czarne dziury same w sobie nie emitują światła. Promieniowanie pochodzi z dysku akrecyjnego, czyli wirującej warstwy gorącego gazu i pyłu, która otacza czarną dziurę. Materia spadająca na czarną dziurę rozpędza się do prędkości bliskich prędkości światła i rozgrzewa do milionów stopni, emitując ogromne ilości promieniowania elektromagnetycznego.

Dlaczego kwazary świecą tak jasno?

• Akrecja materii: Miliardy ton materii spadają na czarną dziurę każdego dnia, uwalniając kolosalne ilości energii
• Tarcie w dysku: Cząstki w dysku akrecyjnym poruszają się z różnymi prędkościami, powodując tarcie które generuje ciepło
• Efekty relatywistyczne: Materia poruszająca się z prędkościami bliskimi prędkości światła emituje intensywne promieniowanie
• Dżety relatywistyczne: Część materii jest wyrzucana w formie dżetów prostopadle do dysku z prędkościami bliskimi prędkości światła

Energia uwalniana podczas akrecji materii na czarną dziurę jest jednym z najbardziej efektywnych procesów energetycznych we wszechświecie. Nawet efektywniejszym niż fuzja termojądrowa zachodząca w gwiazdach.

Jak powstała TON 618?

Powstawanie ultramasywnych czarnych dziur takich jak TON 618 pozostaje jedną z największych zagadek współczesnej astrofizyki. Naukowcy nie mogą znaleźć jednoznacznej przyczyny, jak czarna dziura może urosnąć do tak gigantycznych rozmiarów w stosunkowo młodym wszechświecie.

Teorie powstawania

1. Akrecja materii – Najpopularniejsza teoria zakłada, że czarna dziura stale pochłania (akrecjonuje) materię z otoczenia, stopniowo zwiększając swoją masę przez miliardy lat
2. Fuzje czarnych dziur – Wiele mówi się o łączeniu się wielu mniejszych czarnych dziur w jedną o kolosalnej masie podczas zderzeń galaktyk
3. Bezpośrednie zapadnięcie – Niektórzy naukowcy sugerują że ultramasywne czarne dziury mogły powstać bezpośrednio z zapadnięcia się gigantycznych obłoków gazu we wczesnym wszechświecie
4. Pierwotne czarne dziury – Hipoteza zakłada że niektóre czarne dziury mogły powstać tuż po Wielkim Wybuchu i przez miliardy lat rosły do obecnych rozmiarów

Prawdopodobnie żaden z tych mechanizmów nie działa w izolacji. Najbardziej prawdopodobny scenariusz to kombinacja wszystkich tych procesów – początkowa duża czarna dziura powstała we wczesnym wszechświecie, która następnie rosła przez akrecję materii i łączenie się z innymi czarnymi dziurami podczas zderzeń galaktyk.

Czy TON 618 to największa czarna dziura?

TON 618 jest oficjalnie uznawana za największą potwierdzoną czarną dziurę odkrytą przez człowieka. Jednak istnieją kandydaci, którzy mogą ją przewyższać, choć ich pomiary są obarczone dużą niepewnością i wymagają potwierdzenia.

Potencjalni rywale TON 618

Phoenix A to czarna dziura odkryta w Klastrze Feniksa, znajdująca się 5,8 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Naukowcy szacują jej masę na około 100 miliardów mas Słońca. Przy założeniu że czarna dziura się nie obraca, jej horyzont zdarzeń miałby średnicę 590,5 miliarda kilometrów – to 100 razy więcej niż odległość od Słońca do Plutona.

Czarna dziura w galaktyce SDSS J140821.67+025733.2 ma szacunkową masę 196 miliardów mas Słońca – ponad 3 razy więcej niż TON 618. Miałaby również ogromne rozmiary równe około 100 średnic orbity Plutona, czyli mniej więcej jedną ósmą roku świetlnego. Jednak pomiary tego obiektu obarczone są tak dużą niepewnością, że w zdecydowanej większości opracowań TON 618 nadal uważana jest za rekordzistkę.

Teoretyczna granica masy

Astronomowie obecnie sugerują, że czarne dziury mogą osiągnąć zdumiewająco duże rozmiary, sięgające masy 100 miliardów Słońc lub nawet więcej. To prawdopodobnie teoretyczna granica, której ultramasywne czarne dziury nie mogą przekroczyć ze względu na ograniczenia fizyczne związane z tempem akrecji materii.

Kiedy czarna dziura staje się tak masywna, jej promieniowanie staje się tak intensywne że zaczyna odpychać otaczającą materię zamiast ją przyciągać. Ten mechanizm zwany „granicą Eddingtona” może stanowić naturalną barierę dla wzrostu czarnych dziur.

Co by się stało gdyby TON 618 była blisko Ziemi?

Gdyby TON 618 znajdowała się w centrum Drogi Mlecznej zamiast Sagittariusa A*, nasza galaktyka wyglądałaby zupełnie inaczej. Tak potężna czarna dziura prawdopodobnie pochłonęłaby większość gwiazd z centralnych regionów galaktyki lub odepchnęła je na skraj galaktyki swoim intensywnym promieniowaniem.

Jeśli TON 618 zastąpiłaby nasze Słońce w centrum Układu Słonecznego, jej horyzont zdarzeń rozciągałby się 40 razy dalej niż orbita Neptuna. Wszystkie planety Układu Słonecznego znalazłyby się głęboko wewnątrz czarnej dziury, nie mając szans na przetrwanie.

Na szczęście TON 618 znajduje się bezpiecznie 10,4 miliarda lat świetlnych od nas. W tej odległości nie stanowi żadnego zagrożenia dla Ziemi czy naszej galaktyki. Najbliższa czarna dziura od Ziemi znajduje się około 1500 lat świetlnych od nas i również nie stanowi dla nas żadnego zagrożenia.