Pomimo poszukiwań przy pomocy Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra i Kosmicznego Teleskopu Hubble’a astronomowie nie mają dowodów na to, że odległa czarna dziura o szacowanej masie 3 do 100 mld mas Słońca może być gdziekolwiek znaleziona.
Ta zaginiona czarna dziura powinna znajdować się w ogromnej galaktyce w centrum gromady galaktyk Abell 2261 odległej o 2,7 mld lat świetlnych stąd. Uzyskany obraz Abell 2261 zawiera dane optyczne z HST i teleskopu Subaru pokazujące galaktyki w gromadzie i galaktyki tła, a także dane rentgenowskie z Chandra pokazujące gorący gaz przenikający gromadę. Środek obrazu przedstawia dużą galaktykę eliptyczną w centrum gromady.
Prawie każda duża galaktyka we Wszechświecie posiada w swoim centrum supermasywną czarną dziurę, której masa jest miliony lub miliardy razy większa od masy Słońca. Ponieważ masa centralnej czarnej dziury jest zależna od masy samej galaktyki, astronomowie spodziewają się, że galaktyka w centrum gromady Abell 2261 będzie posiadać supermasywną czarną dziurę, która rywalizuje z niektórymi z największych znanych czarnych dziur we Wszechświecie.
Korzystając z danych z Chandra uzyskanych w 1999 i 2004 roku, astronomowie przeszukali centrum dużej galaktyki centralnej w gromadzie Abell 2261, poszukując oznak supermasywnej czarnej dziury. Szukali materii, która została podgrzana, gdy opadała w kierunku czarnej dziury i wytwarzała promieniowanie rentgenowskie, ale nie wykryli takiego źródła.
Teraz, dzięki nowym, dłuższym obserwacjom z użyciem Chandra uzyskanym w 2018 roku, zespół kierowany przez Kayhana Gultekina z University of Michigan w Ann Arbor przeprowadził głębsze poszukiwania czarnej dziury w centrum galaktyki. Rozważali również alternatywne wyjaśnienie, w którym czarna dziura została wyrzucona z centrum macierzystej galaktyki. To gwałtowne zdarzenie mogło wynikać z połączenia dwóch galaktyk, co utworzyło obserwowaną galaktykę, która posiada jedną ogromną czarną dziurę powstałą w wyniku połączenia się dwóch centralnych czarnych dziur.
Kiedy czarne dziury się łączą, tworzą zmarszczki w czasoprzestrzeni, zwane falami grawitacyjnymi. Gdyby ogromna ilość fal grawitacyjnych emitowanych przez takie zdarzenia była silniejsza w jednym kierunku niż w drugim, to, jak przewiduje teoria, jeszcze masywniejsza czarna dziura zostałaby wysłana z dala od centrum galaktyki, w przeciwnym kierunku. Nazywa się to cofającą się czarną dziurą.
Astronomowie nie znaleźli ostatecznych dowodów na cofanie się czarnych dziur i nie wiadomo, czy supermasywne czarne dziury zbliżają się wystarczająco blisko siebie, aby wytworzyć fale grawitacyjne i połączyć się; jak dotąd astronomowie zweryfikowali tylko połączenia znacznie mniejszych czarnych dziur.
Galaktyka w centrum Abell 2261 jest doskonałą gromadą do poszukiwania cofającej się czarnej dziury, ponieważ istnieją dwa pośrednie znaki, że mogło dojść do połączenia się dwóch masywnych czarnych dziur. Po pierwsze dane z obserwacji optycznych pokazują jądro galaktyki – region centralny, w którym liczba gwiazd w danym skrawku galaktyki jest równa lub bliska wartości maksymalnej – które jest znacznie większe niż oczekiwano dla galaktyki tej wielkości. Drugim znakiem jest to, że najgęstsze skupisko gwiazd w tej galaktyce znajduje się ponad 2000 lat świetlnych od jej centrum, co jest bardzo odległe.
Cechy te zostały po raz pierwszy zaobserwowane przez Marca Postmana z Space Telescope Science Institute (STScI) i jego współpracowników na wcześniejszych zdjęciach z Hubble’a i Subaru, co skłoniło ich do zasugerowania pomysłu z połączoną czarną dziurą w Abell 2261. Podczas połączenia, supermasywna czarna dziura w każdej galaktyce opada w kierunku centrum nowo powstałej galaktyki. Jeżeli zostaną związane ze sobą grawitacyjnie, a ich orbita zacznie się kurczyć, oczekuje się, że czarne dziury wejdą w interakcje z otaczającymi gwiazdami i wyrzucą je z centrum galaktyki. To by wyjaśniało duże jądro Abell 2261. Koncentracja gwiazd poza centrum również mogła być wywołana gwałtownym zdarzeniem, takim jak połączenie dwóch supermasywnych czarnych dziur i wynikający z tego odrzut pojedynczej, większej czarnej dziury.
Mimo tego, że istnieją wskazówki, że doszło do połączenia się czarnych dziur, ani dane z Chandra, ani z HST nie wykazały dowodów na istnienie samej czarnej dziury. Gultekin i większość jego współpracowników wykorzystywali wcześniej teleskop Hubble’a do poszukiwania skupiska gwiazd, które mogło zostać porwane przez cofającą się czarną dziurę. Przebadali trzy skupiska w pobliżu centrum galaktyki i zbadali, czy ruchy gwiazd w nich są wystarczająco duże, aby sugerować, że zawierają czarną dziurę o masie dziesięciu miliardów mas Słońca. Nie znaleziono wyraźnych dowodów na obecność czarnej dziury w dwóch skupiskach, a gwiazdy w następnej były zbyt słabe, aby wyciągnąć użyteczne wnioski.
Wcześniej studiowali również obserwacje Abell 2261 przy pomocy VLA (Very Large Array). Emisja radiowa wykryta w pobliżu centrum galaktyki pokazała dowód, że aktywność supermasywnej czarnej dziury miała tam miejsce 50 mln lat temu, ale nie wykazuje, że obecnie w centrum galaktyki znajduje się taka czarna dziura.
Następnie przejrzeli dane z Chandra, aby poszukać materii, która została podgrzana i wytworzyła promieniowanie rentgenowskie podczas opadania w kierunku czarnej dziury. Chociaż dane z Chandra pokazały, że najgęstszy gorący gaz nie znajdował się w centrum galaktyki, nie ujawniły żadnych możliwych rentgenowskich sygnatur rosnącej supermasywnej czarnej dziury – nie znaleziono żadnego źródła promieniowania rentgenowskiego w centrum gromady lub w jakiejkolwiek grupie gwiazd, ani w miejscu emisji radiowej.
Autorzy pracy doszli do wniosku, że albo w żadnym z tych miejsc nie ma czarnej dziury, albo że wciąga ona materię zbyt wolno, aby wytworzyć wykrywalny sygnał rentgenowski.
Tajemnica lokalizacji olbrzymiej czarnej dziury trwa. Chociaż poszukiwania zakończyły się niepowodzeniem, pozostaje nadzieja dla astronomów poszukujących tej supermasywnej czarnej dziury w przyszłości. Po wystrzeleniu, Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba może być w stanie wykryć obecność supermasywnej czarnej dziury w centrum galaktyki lub w jednym ze skupisk gwiazd. Jeżeli JWST nie będzie w stanie znaleźć tam czarnej dziury, najlepszym wytłumaczeniem będzie to, że czarna dziura wycofała się z galaktyki.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
On the Hunt for a Missing Giant Black Hole
Źródło: NASA
Na ilustracji: Galaktyka eliptyczna w gromadzie galaktyk Abell 2261. Źródło: NASA
