Jak ogromny i jak maleńki jest Sagittarius A*?

Dzięki wysiłkom Teleskopu Horyzontu Zdarzeń dysponujemy już obrazami dwóch czarnych dziur. Jednak choć rezultaty obu obserwacji prezentują się dość podobnie, ich bohaterki wcale identyczne nie są.

Tytuł tego tekstu może brzmieć nieco przewrotnie, ale ma swoje uzasadnienie. Jak to zwykle we wszechświecie bywa, na każdą grubą rybę przypada grubsza ryba, a wszystko rozbija się o skalę i perspektywę. W ten sposób, najmasywniejszy obiekt w całej Drodze Mlecznej – straszliwy i majestatyczny z perspektywy obywatela przeciętnego układu planetarnego – może okazać się nic nieznaczącym mikrusem w porównaniu z czymś, co kryją jądra innych galaktyk.

Zacznijmy jednak od tego, dlaczego uwieczniony przez EHT (ang. Event Horizon Telescope) Sagittarius A* ma prawo budzić w nas respekt. Mowa przecież o czarnej dziurze i to takiej z kategorii tych supermasywnych. Prawo do tego nieskromnego tytułu daje jej masa na poziomie około 4,3 miliona Słońc. Wartość tę wyliczyliśmy dopiero kilkanaście lat temu, na bazie ruchu gwiazd ze ścisłego jądra galaktyki. Przekładając ją na warunki kuchenne: jeżeli Sagittarius A* byłby 2-kilogramowym arbuzem, przeciętna gwiazda odpowiadałaby wadze pojedynczego ziarnka soli. O Ziemi i innych planetach w takich rachubach nie ma nawet co wspominać.

Tyle o masie, a co z rozmiarami naszej bohaterki? Korzystając z równania, jakie pozostawił nam w spadku niemiecki fizyk Karl Schwarzschild, możemy wyliczyć, że czarna dziura o masie 4,3 miliona Słońc kryje się pod sferycznym horyzontem zdarzeń o promieniu 12,7 miliona kilometrów. To 33 razy więcej niż dystans między Ziemią i Księżycem, jak również 18 razy więcej od promienia Słońca. Niby sporo, ale jeśli dłużej się nad tym zastanowimy, to jednak śmiesznie mało. Pamiętajcie, że przecież cały czas rozprawiamy o obiekcie dysponującym masą milionów (!) gwiazd.

Sagittarius w porównaniu ze Słońcem
Horyzont zdarzeń centralnej czarnej dziury Drogi Mlecznej w zestawieniu z kilkoma gwiazdami ciągu głównego.

Żeby było zabawniej, znamy mnóstwo gwiazd znacznie obszerniejszych od horyzontu zdarzeń Sagittariusa A*. Nie trzeba szukać daleko. Promień leżącego 36 lat świetlnych od Ziemi Arktura mierzy 17,6 miliona kilometrów, co oznacza, że pomarańczowy olbrzym przerasta naszą supermasywną czarną dziurę o prawie 40%. A przecież mamy jeszcze nadolbrzymy i hiperolbrzymy – jak Betelgeza, Antares, Mi Cephei, VY Canis Majoris czy UY Scuti – o promieniach idących w setki milionów kilometrów, a zatem dziesiątki razy większych od Sagittariusa. Co prawda, za monstrualnymi rozmiarami zazwyczaj nie kryje się zbyt wiele, jednak takie molochy i tak potrafią rozpalić wyobraźnię[1].

Czarna dziura i Arcturus
Horyzont zdarzeń Sagittariusa A* w porównaniu z jedną z najjaśniejszych gwiazd na ziemskim niebie, Arkturem.

Ale zostawmy już gwiazdy w spokoju i sprawdźmy jak Sagittarius A* wypada w swojej kategorii wagowej. A dokładniej, jak wygląda na tle drugiej kosmicznej celebrytki ostatnich lat, czyli M87, której obraz zrobił furorę wiosną 2019 roku. Rzecz jest o tyle interesująca, że obie “fotografie” wykonane przez Teleskop Horyzontu Zdarzeń prezentują zbliżoną jakość. Nie ma w tym przypadku, ponieważ – co może niektórych zaskoczyć – obiekt z M87 i Sagittarius A* mają podobną wielkość kątową. Innymi słowy, zajmują równie mały skrawek ziemskiego nieboskłonu, zmuszając obserwatoria do porównywalnego wysiłku. To trochę, jak ze Słońcem i Księżycem. Srebrny Glob pozostaje miliony razy mniejszy od Słońca, ale równocześnie leży tak blisko, że jego tarcza wydaje się porównywalna z tarczą słoneczną[2].

W tym przypadku bliżej znajduje się Sagittarius A*, zamieszkujący środek naszej Drogi Mlecznej, położony 26 tysięcy lat świetlnych stąd. Z kolei M87 to zupełnie inna galaktyka, oddalona o prawie 54 miliony lata świetlne. Gdybyśmy uznali, że Układ Słoneczny to wieś pod Krakowem, a Sagittarius A* jest dzielnicą Warszawy, to M87 należałoby szukać… daleko poza orbitą Księżyca.

Skoro więc, mimo dystansu, oba obiekty mają podobne rozmiary kątowe, to oczywiście M87 musi być naprawdę sporo większa[3]. I jest.

M87 i Sagittarius A*
Tak wyglądałoby zestawienie centralnych czarnych dziur M87 i Drogi Mlecznej.

Jak pamiętacie, masa Sagittariusa A* wynosi 4,3 miliona Słońc, zaś promień jej horyzontu zdarzeń mierzy 12,7 miliona kilometrów. Tymczasem masa centralnej czarnej dziury z M87 przekracza 6,5 miliarda Słońc, co wiąże się z horyzontem zdarzeń o promieniu 19,2 miliarda kilometrów. Jak łatwo zauważyć, mamy do czynienia z obiektem masywniejszym i obszerniejszym około półtora tysiąca razy[4]. Mimo więc, że w obu przypadkach posługujemy się terminem supermasywnej czarnej dziury, to jednak, jak na dłoni widać, że jedna z nich jest wyraźnie bardziej “super” od drugiej.

Dodatek: Nawyki żywieniowe M87 i Sagittariusa A* okiem naukowca

O inne, mniej oczywiste różnicę pomiędzy najbardziej medialnymi obecnie czarnymi dziurami, zagadnąłem polskiego uczestnika projektu EHT i pracownika Uniwersytetu Harvarda, Macieja Wielgusa. Pan Doktor w bardzo plastyczny sposób zwrócił uwagę na dyski akrecyjne oraz “moce przerobowe” supermasywnych obiektów, które wcale nie są tak żarłoczne, jak mogłoby się wydawać.

“M87 jest lepiej odżywiona i może to wynikać z tego, jak wygląda akrecja w tym systemie. Może tam rzeczywiście jest taki regularny dysk akrecyjny, którym do czarnej dziury spływa materia. Sgr A* jest z kolei prawdopodobnie najbardziej niedożywianą czarną dziurą, jaką znamy we wszechświecie, a z jej systemu dostajemy tak naprawdę bardzo mało światła – wypromieniowuje w sumie tyle, co około 100 Słońc. Gdyby nie fakt, że jest tak blisko nas, w naszej własnej galaktyce, nigdy byśmy go nawet nie zobaczyli. To wynik tragicznie mały, jak na obiekt o masie milionów Słońc, gdzie źródłem promieniowania jest akrecja (to dużo bardziej wydajne źródło energii, niż fuzja pierwiastków wewnątrz gwiazd). Może więc tam w ogóle nie ma dysku akrecyjnego? Pewną popularność zdobywa ostatnio koncepcja, że wszystko czym żywi się Sagittarius A*, to tylko wiatry gwiazdowe z pobliskich ciężkich gwiazd (odpowiednik wiatru słonecznego, czyli strumienia energetycznych cząstek wydmuchiwanych z gwiazdy; tyle, że dla cięższych gwiazd jest to poważniejszy efekt), a klasyczny dysk akrecyjny tam nie występuje.

Jeszcze drugi komentarz. Bawiliśmy się, ze współpracownikami w tłumaczenie tego, ile pożerają czarne dziury w przeliczeniu na swoją masę – i to są śmieszne liczby. Dla M87 wyszło mi, że pożera ona odpowiednio tyle materii, ile 80-kilogramowy człowiek posilający się 1 ziarenkiem ryżu co milion lat. A dla Sagittariusa A* byłoby to 1 ziarenko ryżu na sto milionów lat. Nie wiem więc, czy te potwory można nazwać żarłocznymi. Myślę, że to nasze ludzkie nawyki żywieniowe byłyby przerażające dla czarnych dziur, a nie na odwrót. Zastanawiałem się też, czy w takim razie są czarne dziury, które pożerają naprawdę dużo i policzyłem dietę dla tempa akrecji Eddingtona (ang. Eddington mass accretion rate), które czasem się uznaje za teoretyczny limit tego, ile może pożreć czarna dziura. No i eddingtonowskie tempo akrecji, to w przeliczeniu na człowieka ziarenko ryżu na sto lat. Czyli nawet najbardziej aktywne czarne dziury we wszechświecie pożerają śmiesznie mało materii w porównaniu do nas. I kto tu jest potworem? :)”

[+]
ASASSN-15lh – Ależ to był wybuch! Dlaczego wszechświat ma 92 mld lat świetlnych średnicy? Antycząstki, antyplanety, antygalaktyki… O antymaterii