Historia naszej Galaktyki wciąż kryje w sobie wiele zagadek. Nie wiemy, jak wyglądały pierwsze chwile Drogi Mlecznej, ani dlaczego w jej gwiazdach pierwiastki wymieszane są w takich, a nie innych proporcjach. Problemów ubywa, gdy założymy, że na początku była... czarna dziura.

Obserwacje przeprowadzone w pierwszych dziesięcioleciach XX wieku dowiodły, że gwiazdy grupują się w wielkie skupiska, które otrzymały nazwę galaktyk. Na całym niebie w zasięgu dużych teleskopów znajdują się ich miliardy. Nasza galaktyka, zwana po prostu Galaktyką lub tradycyjnie i bardziej poetycko Drogą Mleczną, ma średnicę około 100 tys. lat świetlnych i zawiera około 100 miliardów gwiazd. Wśród innych galaktyk nie wyróżnia się niczym szczególnym, ale jej przeciętność nie powinna nas rozczarowywać. Wprost przeciwnie: fakt, iż mieszkamy w typowej przedstawicielce rodziny galaktyk, jest dla astronomów bardzo cenny. Dzięki temu na podstawie obserwacji galaktyk młodszych niż nasza możemy odtwarzać historię Drogi Mlecznej, zaś wnioski wyciągnięte z badania samej Drogi Mlecznej dają się łatwo uogólniać na większość innych galaktyk.

Budowa naszej Galaktyki jest dość skomplikowana. Zdecydowana większość należących do niej gwiazd układa się w silnie spłaszczony dysk, w którym znajdziemy również spore ilości materii międzygwiazdowej występującej pod postacią obłoków gazowo-pyłowych. Z reguły tej wyłamują się najstarsze gwiazdy Galaktyki, których wiek ocenia się na około 12-14 miliardów lat, i które "zamieszkują" otaczające dysk, kuliste halo (ryc. 1). Gwiazdy dysku, choć młodsze od gwiazd halo, wcale nie są rówieśniczkami: niektóre z nich dopiero się rodzą w gęstych obłokach materii międzygwiazdowej, zaś wiek innych mierzy się w miliardach lat. I jakby tych komplikacji było mało samym środku dysku tkwi olbrzymia czarna dziura. Na pytanie, w jaki sposób powstało to wszystko, do dziś nie znaleźliśmy przekonującej odpowiedzi. Owszem, możemy podać szereg mniej lub bardziej prawdopodobnych hipotez, ale ewolucja galaktyk pozostaje jednym z nie rozwiązanych problemów astrofizyki.

Galaktyczne zagadki

Pojedyncze gwiazdy tworzą się z obłoków gazowo-pyłowych. Można więc przypuszczać, że cała Droga Mleczna także powstała z obłoku, tyle że ogromnego, o masie przekraczającej 10¹¹ M
(mas Słońca). Mogło się to odbyć w następujący sposób: obłok stopniowo zapadał się pod wpływem własnej siły grawitacyjnej, w efekcie uformowały się gwiazdy halo, następnie pozostała materia pod wpływem siły odśrodkowej utworzyła spłaszczony, wirujący dysk, w którym zaczęły powstawać kolejne pokolenia gwiazd. Wiele przemawia za takim właśnie scenariuszem wydarzeń. Są jednak pewne zagadki. Największe zagęszczenie gwiazd znajduje się nie w dysku, lecz w tak zwanym zgrubieniu centralnym (ryc. 1), otaczającym czarną dziurę. Występujące tam gwiazdy są w większości raczej stare, niewiele młodsze od gwiazd halo. Czyżby zatem najpierw powstało zgrubienie centralne, a dopiero potem dysk? A co z czarną dziurą?

Kolejna zagadka Galaktyki jest związana ze składem chemicznym najstarszych gwiazd. Gwiazdy takie jak Słońce składają się z wodoru (70%) i helu (27%) oraz pierwiastków cięższych od helu (3%) przede wszystkim węgla, tlenu, azotu, krzemu i żelaza (astronomowie tradycyjnie nazywają je metalami). Tylko wodór i hel zostały wytworzone w czasie pierwszych trzech minut życia Wszechświata (prócz nich powstały jedynie niewielkie ilości deuteru i litu). Pozostałe pierwiastki zostały zsyntetyzowane o wiele później we wnętrzach pierwszych gwiazd, a następnie za pośrednictwem wiatrów gwiazdowych i wybuchów supernowych, wymieszały się z rozrzedzonym gazem wypełniającym przestrzeń międzygwiazdową. Od tej pory kolejne pokolenia gwiazd powstają z materii coraz bardziej wzbogaconej w metale. Nic więc dziwnego, że młode gwiazdy dysku zawierają znacznie więcej metali niż stare gwiazdy halo. Zagadką jest natomiast, dlaczego gwiazdy halo w ogóle zawierają metale (co prawda w ilości stukrotnie mniejszej niż Słońce, ale jednak mierzalnej). Przecież gwiazdy pierwszego pokolenia powinny składać się tylko z wodoru i helu!

Kosmolog też nie wie

Popatrzmy teraz na problem powstawania galaktyk z punktu widzenia kosmologa. Wszechświat był początkowo gorący i nieprzezroczysty dla światła. Wypełniała go niemal jednorodna mieszanina fotonów, protonów, neutronów i elektronów. Rozchodziły się w niej różnej długości fale dźwiękowe (jak dźwięk w powietrzu), tworząc wędrujące zgęszczenia i rozrzedzenia materii. Wszechświat jednak stygł i gdy liczył sobie około 100 tys. lat, nastąpiła w nim bardzo ważna przemiana. Fotony bezpowrotnie oderwały się od materii, zaś fale dźwiękowe zamarły pod postacią ledwo widocznych zarodków przyszłych galaktyk. Niektóre z pierwotnych fotonów zos-tały zarejestrowane przez satelitę COBE jako tzw. promieniowanie tła. Badając je, możemy odtworzyć wygląd owych "galaktycznych zarodków", z których wyłoniła się obserwowana obecnie, bogata struktura Wszechświata.

Patrząc na szczegóły tego obrazu, napotykamy pewne trudności. Okazuje się, że nie każde zagęszczenie materii może przerodzić się np. w galaktykę. Siła napędowa tej przemiany, czyli grawitacja, wygrywa tylko wtedy, gdy zagęszczony obszar jest odpowiednio duży. W przeciwnym wypadku grawitacja przegrywa z ciśnieniem i zagęszczenie rozmywa się. Zagęszczenie, w którym ciśnienie dokładnie równoważy grawitację, ma ściśle określoną masę, zwaną w astronomii masą Jeansa. W gazie o danej gęstości i temperaturze zagęszczenia o masie mniejszej od masy Jeansa rozpływają się pod wpływem ciśnienia, zaś zagęszczenia o masie większej od masy Jeansa kurczą się pod wpływem grawitacji.

W chwili oddzielenia się promieniowania od materii (kosmologowie nazywają ją chwilą lub "epoką" rekombinacji) materia wypełniająca Wszechświat miała temperaturę około 1000 K i gęstość około 10^-21 g/cm³, czemu odpowiada masa Jeansa równa około 10⁶ M
. Fakt ten nie jest jednak łatwy do zinterpretowania w kontekście ewolucji galaktyk. 10⁶ M
to o wiele za dużo na gwiazdę, a o wiele za mało na galaktykę. Widać więc, że kosmologia także nie udzieliła nam odpowiedzi na pytanie, jak wyglądało powstanie Drogi Mlecznej. Najwyraźniej w naszych dotychczasowych rozważaniach pominięty został jakiś istotny element łamigłówki.

Dziura w galaktyce

Zgodnie z zaproponowaną ostatnio, choć nie przyjętą powszechnie, hipotezą owym pominiętym elementem może być centralna czarna dziura. Niedawne badania ruchu gwiazd w pobliżu centrum Galaktyki dowodzą, że znajdująca się tam czarna dziura ma masę 2.6x10⁶ M
(film przedstawiający ów ruch można obejrzeć na stronie internetowej www.mpe-garching.mpg.de/www_ir/GC/prop.html). Badania innych galaktyk także wskazują na obecność czarnych dziur o wielkich masach. Rekordzistami w tej konkurencji są kwazary, czyli galaktyki, których czarne dziury mają masy rzędu miliardów M
. Do czarnej dziury w kwazarze wpada obfity strumień gazu, który nagrzewa się przy tym i świeci tak silnie, że widać go aż z krańców Wszechświata (gdy strumień wyczerpuje się, kwazar oczywiście gaśnie). Tak wielkie czarne dziury występują jednak rzadko: zaledwie w jednej galaktyce na milion. Okolice "naszej" czarnej dziury świecą raczej słabo, być może dlatego, że brak (chwilowo?) odpowiednich dostaw gazu.

Z naszego punktu widzenia ważne są jednak nie rekordy, lecz to, że wszystkie wyznaczone dotychczas masy czarnych dziur w centrach galaktyk przekraczają 10⁶ M
. Tyle samo wynosiła masa Jeansa w epoce rekombinacji. Zbieżność co najmniej zastanawiająca! Czyżby owa krytyczna epoka w dziejach Wszechświata zakończyła się "masową produkcją" czarnych dziur, które miliardy lat później znalazły się w centrach galaktyk? Na to, że być może jesteśmy na dobrym tropie, wskazuje zaobserwowany ostatnio związek pomiędzy masą czarnej dziury a masą centralnego zgrubienia galaktyki. We wszystkich przypadkach, w których pomiar obu wielkości udało się przeprowadzić, masa zgrubienia jest kilkaset razy większa od masy czarnej dziury. Można więc przypuszczać, że fakt istnienia czarnej dziury ma wpływ na formowanie się galaktyki. Najprościej byłoby zweryfikować tę hipotezę, sprawdzając, czy wszystkie galaktyki zawierają czarne dziury. Niestety, instrumenty, którymi obecnie dysponujemy, pozwalają na obserwowanie tych obiektów tylko w najbliższych galaktykach (nawet w tym przypadku są to obserwacje pośrednie rozmiarach czarnej dziury wnioskujemy na podstawie ruchów materii w jej sąsiedztwie). Możemy jednak zastanowić się, jak wyglądałaby rola czarnej dziury w formowaniu się galaktyki. Wzbogaćmy więc tę atrakcyjną, choć niekoniecznie słuszną, hipotezę o szczegóły.

Czarna, lecz pożyteczna

Wyobraźmy sobie zatem jedną z hipotetycznych czarnych dziur powstałych kilkanaście miliardów lat temu w (lub tuż po) epoce rekombinacji. Znajdująca się w jej otoczeniu materia opada na nią pod wpływem sił grawitacyjnych i (co najmniej częściowo) wpada do jej środka. Masa czarnej dziury rośnie, ale wzrost ten nie może przebiegać zbyt gwałtownie. Jak już wiemy, opadająca materia jest źródłem bardzo silnego promieniowania. Jego ciśnienie uniemożliwia zbyt szybki napływ gazu. Dzięki temu spora część materii może gromadzić się wokół czarnej dziury, tworząc zalążek galaktyki (tzw. protogalaktykę).

Czarna dziura może mieć dość złożony wpływ na procesy zachodzące w otaczającym ją gazie. Pod działaniem sił grawitacyjnych, odśrodkowych i związanych z ciśnieniem promieniowania ów gaz może utworzyć rodzaj grubego, gęstego dysku. W takim dysku mogą powstawać gwiazdy o bardzo dużych masach. Gwiazdy takie będą żyć krótko i szybko wybuchną jako supernowe, wzbogacając materię protogalaktyki w pierwiastki ciężkie. Część wzbogaconej materii może zostać wyrzucona na duże odległości od czarnej dziury (tak jak to się obserwuje w kwazarach). Wyjaśniłoby to, czemu nawet najstarsze gwiazdy i obłoki gazu międzygalaktycznego zawierają pewną ilość pierwiastków ciężkich.

Gdy czarna dziura pochłonie materię znajdującą się w jej pobliżu, przechodzi w stan uśpienia - tak jak ta w naszej Galaktyce. Jest już wówczas otoczona zgrubieniem centralnym, w którym znajdują się mniej masywne (i dłużej żyjące) gwiazdy powstałe w pierwotnym dysku gazowym. Dalsza ewolucja galaktyki jest przede wszystkim wynikiem ewolucji gwiazd - powstawania i starzenia się kolejnych ich pokoleń.

Przedstawiony scenariusz dziejów Galaktyki jest tylko hipotezą, w której nie brak luk (nie tłumaczy, na przykład, w jaki sposób powstały gwiazdy tworzące halo Galaktyki). Jeśli jednak okaże się prawdziwy, będziemy musieli spojrzeć na "naszą" czarną dziurę zupełnie inaczej. Nie będzie to już jakieś groźne monstrum, które przypadkowo wpadło do Drogi Mlecznej, lecz najprawdziwszy zarodek naszej Galaktyki. Używając nieścisłego, ale za to barwnego porównania, można wręcz powiedzieć, iż jest to... źródło, z którego wypłynęła Droga Mleczna!

Prof. dr hab. BOŻENA CZERNY pracuje w Centrum Astronomicznym im. M. Kopernika PAN w Warszawie. Specjalizuje się w badaniach zjawisk zachodzących podczas opadania materii na czarne dziury.

---