Wizualizacja czarnej dziury. Wizualizacja czarnej dziury. Shutterstock
Kosmos

Zbuntowana czarna dziura grasuje po Drodze Mlecznej

Astronomowie dostrzegli w naszej galaktyce samotną czarną dziurę, wyrzuconą niegdyś z wnętrza konającej gwiazdy. Czekali na to odkrycie od wielu, wielu lat.

To wspaniały czas dla astronomów polujących na czarne dziury. Największe z nich – supermasywne, które mogą ważyć tyle, co miliard Słońc – odnajdujemy w jądrze niemal każdej galaktyki. Jedną z nich zdołaliśmy nawet zobrazować. Badacze rutynowo już rejestrują fale grawitacyjne rozchodzące się po Wszechświecie, których źródłem są łączące się czarne dziury. Jesteśmy też świadkami dramatycznych fajerwerków wywoływanych przez supermasywną czarną dziurę w centrum Drogi Mlecznej – pożerającą obłoki gazowe, a nawet całe gwiazdy. Nie widzieliśmy jednak od dawna już przewidywanego zjawiska: izolowanej czarnej dziury dryfującej bez celu w przestrzeni kosmicznej, zrodzonej i wyrzuconej z zapadającego się jądra masywnej gwiazdy. Aż do dzisiaj.

Naukowcy ogłosili pierwsze jednoznaczne odkrycie takiego obiektu, odległego od Ziemi o 5 tys. lat świetlnych. Wyniki badań, które ukazały się 31 stycznia na serwerze arXiv i nie zostały jeszcze zrecenzowane, są kulminacją gorliwych poszukiwań trwających od ponad dekady. „To niezwykle ekscytujące – mówi Marina Rejkuba z European Southern Observatory w Niemczech, współautorka publikacji. – Możemy udowodnić, że samotne czarne dziury naprawdę tam są”. Odkrycie to może być zaledwie początkiem; spodziewamy się, że trwające właśnie obserwacje i przyszłe misje kosmiczne znajdą dziesiątki, a może nawet setki ciemnych, samotnych podróżników. „To czubek góry lodowej” – komentuje Kareem El-Badry z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, który nie uczestniczył w powstawaniu publikacji.

Jeżeli patrzeć w niebo, to bardzo starannie

W 1919 r. brytyjski astronom Arthur Stanley Eddington wykonał słynny eksperyment. Szczególna i ogólna teoria względności postulowała, że masywne obiekty powinny uginać czasoprzestrzeń, zakrzywiając biegnące w okolicy promienie światła – w procesie znanym jako soczewkowanie grawitacyjne. Eddington dowiódł, że tak się właśnie dzieje podczas całkowitego zaćmienia Słońca, kiedy dobrze widoczne stają się gwiazdy sąsiadujące z jego tarczą. Używając techniki zwanej astrometrią pieczołowicie odnotowywał położenia gwiazd przed i po zaćmieniu. Odkrył subtelne różnice w ich pozornym położeniu na niebie – spowodowane odkształceniem ich światła na skutek przyciągania grawitacyjnego Słońca.

Astronomowie znaleźli później nowe zastosowanie tej techniki. Gwiazdy co najmniej 20 razy cięższe od Słońca pod koniec życia powinny formować czarne dziury – kiedy ich ciężkie jądra zapadają się pod własnym ciężarem po wyczerpaniu się paliwa termojądrowego. Siły te mogą być tak wielkie, że czasem nowonarodzone czarne dziury wypychane są z łona gwiazdy. I rozpoczynają niekończący się rejs. To kosmiczne zamiłowanie do podróży – oraz niewielki rozmiar czarnych dziur – sprawiają, że niezwykle trudno je dostrzec. Dzięki pracy Eddingtona wiadomo jednak, że wyrzutków może zdradzać efekt soczewkowania – zmiana intensywności światła gwiazd, które czarne dziury przesłaniają na swojej drodze. Szanse na znalezienie samotnych dziur były niewielkie, ale naukowcy przewidują, że takich obiektów w naszej galaktyce są miliony, wystarczy tylko uruchomić dostatecznie szeroko zakrojoną obserwacje nieba.

Podobnych projektów jest dziś wiele, by wspomnieć tylko Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) prowadzony przez Uniwersytet Warszawski, czy Microlensing Observations in Astrophysics (MOA) realizowany przez naukowców z Nowej Zelandii i Japonii. W czerwcu 2011 r. w ich ramach dostrzeżono coś ciekawego: Nagłe zwiększenie jasności gwiazdy odległej o 20 tys. lat świetlnych, a położonej w jednym z gęsto upakowanych galaktycznych skupisk niedaleko środka Drogi Mlecznej. Czyżby był to efekt mikrosoczewkowania związany z dziką czarną dziurą? Astronomowie chcieli się tego dowiedzieć natychmiast.

Był wśród nich Kailash Sahu z Space Telescope Science Institute w Baltimore, główny autor publikacji z arXiv opisującej odkrycie. Korzystając z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. wraz z kolegami skupił uwagę na gwieździe, która właśnie pojaśniała, a potem przyglądał się jej raz za razem przez kolejne sześć lat. Zdołał potwierdzić, że światło ulegało zintensyfikowaniu, co sugerowało obecność niewidocznego obiektu działającego jak soczewka. Ale odkrył coś jeszcze ważniejszego. Pozycja gwiazdy na niebie uległa niewielkiej zmianie. Efekt był „tysiąc razy mniejszy, niż ten zmierzony przez Eddingtona” – mówi naukowiec – i pozostawał na granicy rozdzielczości osiągalnej dla Hubble’a. Coś ukrytego wzmocniło i zakrzywiło światło gwiazdy. Najlepszy kandydat? Niewidoczna czarna dziura o masie siedmiokrotnie większej od Słońca.

„To musiała być czarna dziura” – podkreśla Kailash Sahu. Ale żeby to potwierdzić, trzeba było dowiedzieć się dwóch rzeczy. Po pierwsze, konieczne było wyeliminowanie ewentualności, że dostrzegliśmy coś bardziej prozaicznego – na przykład „niespełnioną gwiazdę”, czyli brązowego karła. Po drugie, efekt pojaśnienia musiał być długotrwały. Ponieważ wydarzenie z czerwca 2011 r. trwało około 300 dni, wydawało się pasować. „To całościowa i uważna analiza – mówi Kareem El-Badry. – Naukowcy wykazali się należytą starannością”.

Intensywność soczewkowania i odchylenia światła z gwiazdy pozwoliła Sahu i jego współpracownikom ustalić, że masa domniemanej czarnej dziury wynosi nieco ponad siedem mas Słońca. „To ustawia ją dokładnie tam, gdzie spodziewalibyśmy się znaleźć tego typu czarną dziurę – mówi Feryal Özel z University of Arizona, nie związana z publikacją. Uczeni zdołali także obliczyć prędkość obiektu. „Porusza się mniej więcej 45 kilometrów na sekundę” – mówi Sahu. To stosunkowo szybko w porównaniu do pobliskich gwiazd – i dokładnie tak, jak powinna się poruszać czarna dziura usunięta z umierającej masywnej gwiazdy. Nie ma jasności, kiedy to wydarzenie miało miejsce, ale „możliwe, że gdzieś około 100 milionów lat temu. Trudno powiedzieć, bo nie wiemy dokładnie, skąd nadleciała”.

Jeżeli szukać kandydatek, to z Rubin i Roman

Nie jest to jednak pierwsza obserwacja wskazująca na mikrosoczewkowanie, którego źródłem są samotne gwiazdowe czarne dziury; wcześniej było już kilka kandydatek. Tym razem udało się jednak zauważyć nie tylko samo spowodowane soczewkowaniem grawitacyjnym wzmocnienie światła dochodzącego z gwiazdy, ale także wykonać udany pomiar jego odchylenia. Można więc było potwierdzić przypuszczenia dotyczącego prawdziwej natury zjawiska. „W przeszłości zdarzały się już odkrycia kandydatów na czarne dziury, ale nie wykonywano wtedy pomiarów astrometrycznych – mówi David Bennett z należącego do NASA Goddard Space Flight Center. – Ta technika sprawdza się najlepiej w przypadku izolowanych gwiazdowych czarnych dziur. To pierwsza próba jej użycia. Wszystkie odkryte wcześniej czarne dziury udało się znaleźć, bo nie były odizolowane”.

Masa nowo odkrytej czarnej dziury dostarcza dodatkowych dowodów na to, że opracowane przez astrofizyków modele są poprawne – samotne czarne dziury mogą rodzić się z popiołów wyjątkowo krzepkich gwiazdowych antenatów. Możliwe jednak, że owe czarne dziury zanim staną się nomadami próżni, powstają także w układach gwiazd podwójnych. Z tymi akurat obiektami kosmicznymi jest tak, że nie sposób powiedzieć, która opowieść o ich narodzinach jest prawdziwa. Pewne jednak jest to, że im więcej samotnych czarnych dziur naukowcy będą odkrywać, tym precyzyjniejsze staną się ich modele. „Nigdy jeszcze nie mieliśmy okazji studiować czarnych dziur, które wędrują samotnie – mówi Özel. –Ten nowy sposób ich odnajdywania i szacowania masy, jest więc bardzo ekscytujący. Czy powstają inaczej niż pozostałe czarne dziury? Czy dystrybucja ich mas jest inna?”.

Odpowiedzi na te pytania mogą pojawić się wkrótce. Należący do European Space Agency (ESA) teleskop Gaia śledzi obecnie pozycje miliardów gwiazd Drogi Mlecznej. W 2025 r. biorący w tym projekcie naukowcy opublikują dane dotyczące soczewkowania. Spodziewają się, że będą one zawierać dowody istnienia wielu więcej gwiazdowych singli sunących przez naszą galaktykę. „Dane z Gai będą miały jakość podobną albo wyższą, niż te pochodzące z Hubble’a” – mówi Łukasz Wyrzykowski z Uniwersytetu Warszawskiego, współautor publikacji o najnowszym odkryciu, poszukujący awanturniczych czarnych dziur także za pomocą teleskopu Gaia. Jak szacuje, nowe dane będą sugerować obecność kilkudziesięciu kandydatek.

Vera C. Rubin Observatory w Chile, które w przyszłym roku rozpocznie trwającą 10 lat obserwację nocnego nieba, też prawdopodobnie zbierze swój plon zbuntowanych czarnych dziur. Podobnie jak Nancy Grace Roman Space Telescope, który ma zostać uruchomiony w roku 2027. Teleskopy Rubin i Roman mają bardzo szerokie pola widzenia, pozwalające uchwycić panoramiczne widoki nieba wypełnionego gwiazdami, wśród których muszą czaić się swobodnie wędrujące czarne dziury. „Spodziewamy się, że pokażą nam się wśród tych danych – mówi El-Badry. – Mamy nadzieję, że Rubin i Roman zdołają wykonać pomiary przesunięcia astrometrycznego dla wielu gwiazd”.

Tymczasem to ciemne odkrycie wróży jasną przyszłość dalszym poszukiwaniom. Szelmowskie gwiazdowe czarne dziury, przewidywane od dawna, ale dopiero teraz potwierdzone obserwacyjnie, mogą okazać się w naszej galaktyce na tyle powszechne, że można będzie zacząć prowadzić badania demograficzne ich populacji. Uchwycenie prawdziwej ich liczebności, mas i innych właściwości, ulepszy wciąż niekompletne teorie ewolucji gwiazd. Albo obnaży nowe braki w naszym ich rozumieniu. „Czekaliśmy na to odkrycie od wielu, wielu lat – mówi Wyrzykowski. – Metoda się sprawdza. Mikrosoczewkowanie grawitacyjne to właściwy sposób odnajdywania samotnych czarnych dziur”.

źródło: sciam.com, 3 lutego 2022 r.

oryginalny tytuł: „Astronomers Find First-Ever Rogue Black Hole Adrift in the Milky Way”

śródtytuły pochodzą od redakcji pulsara

Reklama

Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną