Astronomowie odkrywają najbliższą Ziemi czarną dziurę

Astronomowie odkryli pierwszą uśpioną czarną dziurę o masie gwiazdowej na naszym kosmicznym podwórku.

Astronomowie korzystający z Obserwatorium Gemini odkryli najbliższą Ziemi czarną dziurę. Jest to pierwsza jednoznaczna detekcja uśpionej czarnej dziury o masie gwiazdowej w Drodze Mlecznej. Jej bliskość do Ziemi, zaledwie 1600 lat świetlnych od niej, stanowi intrygujący cel badań, które pozwolą nam lepiej zrozumieć ewolucję układów podwójnych.

Czarne dziury to najbardziej ekstremalne obiekty we Wszechświecie. Supermasywne wersje tych niewyobrażalnie gęstych obiektów znajdują się prawdopodobnie w centrach wszystkich dużych galaktyk. Czarne dziury o masie gwiazdowej – ważące od pięciu do stu razy więcej niż Słońce – są znacznie bardziej powszechne, a ich liczbę w samej Drodze Mlecznej szacuje się na 100 milionów. Jednak do tej pory potwierdzono istnienie tylko kilku z nich, a prawie wszystkie są aktywne, co oznacza, że świecą jasno w promieniach X, ponieważ pochłaniają materię od pobliskiego gwiezdnego towarzysza, w przeciwieństwie do uśpionych czarnych dziur, które tego nie robią.

Odkrytą czarną dziurę nazwano Gaia BH 1. Ta uśpiona czarna dziura jest około 10 razy bardziej masywna od Słońca i znajduje się w odległości około 1600 lat świetlnych w konstelacji Wężownika, co oznacza, że znajduje się trzykrotnie bliżej Ziemi niż poprzedni rekordzista, rentgenowski układ podwójny w konstelacji Jednorożca. Nowe odkrycie było możliwe dzięki dokładnym obserwacjom ruchu towarzysza czarnej dziury, gwiazdy podobnej do Słońca, która okrąża czarną dziurę w mniej więcej takiej samej odległości, w jakiej Ziemia okrąża Słońce.

Weźmy Układ Słoneczny, umieśćmy czarną dziurę tam, gdzie jest Słońce, a Słońce tam, gdzie jest Ziemia, i otrzymamy ten układ – wyjaśnił Kareem El-Badry, astrofizyk z Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian oraz Max Planck Institute for Astronomy, a także główny autor pracy opisującej to odkrycie. Chociaż było wiele twierdzeń o wykryciu układów takich jak ten, prawie wszystkie te odkrycia zostały później obalone. Jest to pierwsze jednoznaczne wykrycie gwiazdy podobnej do naszego Słońca na szerokiej orbicie wokół czarnej dziury o masie gwiazdowej w naszej Galaktyce.

Choć w galaktyce Drogi Mlecznej istnieją prawdopodobnie miliony czarnych dziur o masie gwiazdowej, te nieliczne, które zostały wykryte, zostały odkryte dzięki ich energicznym oddziaływaniom z gwiazdą towarzyszącą. Gdy materia z pobliskiej gwiazdy zmierza w kierunku czarnej dziury, ulega przegrzaniu i generuje silne promieniowanie rentgenowskie oraz strumienie materii. Jeżeli czarna dziura nie odżywia się aktywnie (tzn. jest uśpiona), po prostu wtapia się w otoczenie.

Zespół pierwotnie zidentyfikował układ jako potencjalnie posiadający czarną dziurę, analizując dane uzyskane z sondy kosmicznej Gaia. Gaia uchwyciła drobne nieregularności w ruchu gwiazdy wywołane grawitacją niewidocznego masywnego obiektu. Aby zbadać układ bardziej szczegółowo, El-Badry i jego zespół wykorzystali instrument Gemini Multi-Object Spectrograph na Gemini North, który zmierzył prędkość gwiazdy towarzyszącej, gdy krążyła wokół czarnej dziury i dostarczył precyzyjnych pomiarów jej okresu orbitalnego. Obserwacje Gemini były kluczowe dla wyznaczenia ruchu orbitalnego i tym samym masy obu składników układu podwójnego, co pozwoliło zespołowi zidentyfikować ciało centralne jako czarną dziurę o masie około 10 razy większej od naszego Słońca.

Obecne modele astronomiczne dotyczące ewolucji układów podwójnych nie bardzo potrafią wyjaśnić, jak mogła powstać osobliwa konfiguracja układu Gaia BH1. W szczególności, gwiazda macierzysta, która później przekształciła się w nowo wykrytą czarną dziurę, byłaby co najmniej 20 razy masywniejsza od Słońca. Oznacza to, że żyłaby zaledwie kilka milionów lat. Jeżeli obie gwiazdy uformowały się w tym samym czasie, ta masywna gwiazda szybko przekształciła by się w nadolbrzyma, nadymając się i pochłaniając drugą gwiazdę, zanim ta zdążyła stać się właściwą, spalającą wodór gwiazdą ciągu głównego, taką jak nasze Słońce.

Wcale nie jest jasne, jak gwiazda o masie słonecznej mogła przetrwać ten epizod, kończąc jako pozornie normalna gwiazda, na co wskazują obserwacje podwójnej czarnej dziury. Teoretyczne modele, które pozwalają na przetrwanie, przewidują, że gwiazda o masie Słońca powinna była znaleźć się na znacznie ciaśniejszej orbicie niż ta, którą faktycznie obserwujemy.

Może to wskazywać na istnienie ważnych luk w naszym rozumieniu tego, jak czarne dziury tworzą się i ewoluują w układach podwójnych, a także sugeruje istnienie niezbadanej jeszcze populacji uśpionych czarnych dziur w układach podwójnych.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
NOIRLab

Vega

Na ilustracji: Wizja artystyczna najbliższej Ziemi czarnej dziury oraz jej gwiezdnego towarzysza podobnego do Słońca. Źródło: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine/M. Zamani.