Sfotografowano parę gigantycznych czarnych dziur w M31?

Wygląda na to, że nawet czarne dziury nie mogą się oprzeć pokusie dodania swoich niezapowiedzianych fotografii. Kosmiczna „fotobomba” znaleziona jako obiekt tła na zdjęciach pobliskiej galaktyki Andromedy ukazała coś, co może być najciaśniejszym układem supermasywnych czarnych dziur, jakie kiedykolwiek widziano. Astronomowie dokonali tego niesamowitego odkrycia korzystając z danych z kosmicznego obserwatorium rentgenowskiego – Chandra oraz naziemnych optycznych – Gemini-North na Hawajach i Palomar Transient Factory w Kalifornii.

To niezwykłe źródło, nazwane LGGS J004527.30+413254.3 (w skrócie J0045+41), było widziane na zdjęciach rentgenowskich oraz optycznych galaktyki Andromedy. Do niedawna naukowcy uważali, że J0045+41 jest obiektem w M31, dużej galaktyki spiralnej, leżącej stosunkowo blisko nas (2,5 miliona lat świetlnych stąd). Nowe dane ujawniły jednak, że obiekt ten znajduje się znacznie dalej, mianowicie w odległości 2,6 mld lat świetlnych od Ziemi.

Astronomowie szukali specjalnego typu gwiazd w M31 i wydawało im się, że znaleźli jedną. Byli jednak zaskoczeni odkryciem czegoś tak dziwnego. Jeszcze dziwniejsze, niż odległość J0045+41 jest to, że prawdopodobnie zawiera parę olbrzymich czarnych dziur okrążających się po bardzo ciasnej orbicie. Szacowana masa całkowita obydwu czarnych dziur wynosi około 200 mas Słońca. 

Wcześniej inny zespół astronomów zaobserwował okresowe zmiany jasności w świetle widzialnym J0045+41, ale sądząc, że obiekt należy do M31, wziął go za parę gwiazd, które okrążają się z okresem 80 dni. 

Intensywność źródła promieniowania rentgenowskiego obserwowanego przez Chandra wykazała, że pierwotna klasyfikacja obiektu była nieprawidłowa. J0045+41 miał być układem podwójnym w M31 zawierającym gwiazdę neutronową lub czarną dziurę, która wyrywa materię od gwiazdy towarzysza – gatunek układu, którego początkowo szukał w galaktyce Dorn-Wallenstein – bądź o wiele masywniejszy i odleglejszy układ zawierający co najmniej jedną, szybko rosnącą supermasywną czarną dziurę. 

Widmo z teleskopu Gemini-North wykonane przez zespół z Uniwersytetu Waszyngtona pokazało, że J0045+41 musi posiadać co najmniej jedną supermasywną czarną dziurę oraz pozwoliło naukowcom oszacować odległość do niego. Widmo dostarczyło także możliwych dowodów na to, że jest tam także druga czarna dziura i porusza się z inną prędkością, niż ta pierwsza, jak się spodziewano, jeżeli obie się wspólnie okrążają.

Następnie zespół wykorzystał Palomar Transient Factory do wyszukania okresowych zmian w świetle J0045+41 i znalazł ich kilka, w tym około 80 i 320 dni. Stosunek pomiędzy tymi okresami odpowiada przewidywanemu przez teoretyczne prace nad dynamiką dwóch wielkich czarnych dziur orbitujących wokół siebie. Są to pierwsze tak mocne dowody na parę czarnych dziur okrążających się.

Naukowcy szacują, że dwie przypuszczalne czarne dziury okrążają się w odległości zaledwie kilkuset razy większej, niż wynosi odległość Ziemia-Słońce, czyli zaledwie 1/100 roku świetlnego. Dla porównania, najbliższa Słońcu gwiazda znajduje się w odległości 4 lat świetlnych. 

Układ taki mógłby powstać w wyniku połączenia się miliardy lat wcześniej dwóch galaktyk, z których każda zawierała supermasywną czarną dziurę. W obecnej chwili bliska separacja dwóch czarnych dziur nieuchronnie zbliża je do siebie, przez co emitują fale grawitacyjne. W zależności od tego, jakie masy mają owe czarne dziury, naukowcy szacują, że zderzą się one ze sobą przynajmniej za 350 a najpóźniej za 360 000 lat.

Jeżeli J0045+41 rzeczywiście zawiera dwie czarne dziury orbitujące blisko siebie, będzie emitować fale grawitacyjne, jednak sygnał taki nie był jeszcze wykryty przez LIGO czy Virgo (detektory fal grawitacyjnych). Jak do tej pory wykryły one połączenie się czarnych dziur o masie nie większej, niż 60 mas Słońca a ostatnio także zderzenie się dwóch gwiazd neutronowych.

Łączenie się supermasywnych czarnych dziur zajmuje znacznie więcej czasu niż tych o masach gwiazdowych. Dlatego fale grawitacyjne z obiektu J0045+41 mogą być łatwiej wykryte przez inny rodzaj urządzenia o nazwie Pulsar Timing Array.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
Giant Black Hole Pair Photobombs Andromeda Galaxy

Źródło:
Chanrda

Na zdjęciu: Grafika przedstawia dane z Chandra (niebieski obiekt w ramce) źródła znanego jako LGGS J004527.30+413254.3 (w skrócie J0045+41) w kontekście optycznych obrazów z teleskopu Hubble'a. Źródło: Rentgenowskie: NASA/CXC/Univ. of Washington/T.Dorn-Wallenstein i inni; Optyczne: NASA/ESA/J. Dalcanton, et al. & R. Gendler