Astronomowie korzystający z HST przedstawili najlepsze jak dotąd dowody na obecność rzadkiej klasy czarnych dziur o masach pośrednich, które mogą czaić się w sercu najbliższej Ziemi gromady kulistej, znajdującej się w odległości "tylko" 6000 lat świetlnych.
Praktycznie wszystkie czarne dziury wydają się występować w dwóch rozmiarach: małym i ogromnym. Szacuje się, że nasza Galaktyka jest zaśmiecona 100 milionami małych czarnych dziur (o masie kilkakrotnie większej niż masa naszego Słońca) powstałych w wyniku eksplozji gwiazd. Wszechświat jest też zalany supermasywnymi czarnymi dziurami, ważącymi miliony lub miliardy razy więcej niż nasze Słońce i znajdującymi się w centrach galaktyk.
Od dawna poszukiwanym, brakującym ogniwem jest czarna dziura o masie pośredniej, ważąca od 100 do 100 000 Słońc. Jak mogłyby one powstać, gdzie mogłyby się znajdować i dlaczego wydają się być tak rzadkie?
Astronomowie zidentyfikowali inne możliwe czarne dziury o masie pośredniej za pomocą różnych technik obserwacyjnych. Dwie z najlepszych kandydatek – 3XMM J215022.4−055108, którą Teleskop Hubble'a pomógł odkryć w 2020 roku, oraz HLX-1, zidentyfikowana w 2009 roku, znajdują się w gęstych gromadach gwiazd na obrzeżach innych galaktyk. Każda z tych hipotetycznych czarnych dziur ma masę dziesiątek tysięcy mas Słońca i mogła kiedyś znajdować się centrum galaktyki karłowatej. Należące do NASA obserwatorium Chandra również pomogło w odkryciu wielu możliwych czarnych dziur o masach pośrednich, w tym ich dużej próbki znalezionej w 2018 roku.
Spoglądając znacznie bliżej naszego domu, na gęste gromady kuliste krążące wokół naszej Galaktyki, wykryto wiele domniemanych czarnych dziur o masie pośredniej. Na przykład w 2008 roku astronomowie ogłosili podejrzenie obecności czarnej dziury o masie pośredniej w gromadzie kulistej Omega Centauri. Z wielu powodów, w tym z potrzeby uzyskania większej ilości danych obserwacyjnych, te i inne odkrycia czarnych dziur o masie pośredniej nadal pozostają niejednoznaczne i nie wykluczają alternatywnych, tłumaczących te zjawiska teorii.
Unikalne możliwości Teleskopu Hubble’a zostały teraz wykorzystane do skoncentrowania się na jądrze gromady kulistej M4, aby polować tam na czarne dziury z większą precyzją niż w poprzednich poszukiwaniach. Nie można prowadzić tego rodzaju badań bez Hubble’a – mówi Eduardo Vitral z Space Telescope Science Institute w Baltimore w stanie Maryland, główny autor artykułu, który został opublikowany 23 maja 2023 roku w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Zespół Vitrala wykrył potencjalną czarną dziurę o masie pośredniej. Podejrzanego obiektu nie można zobaczyć, ale jego masę oblicza się, badając ruch gwiazd złapanych w jej pole grawitacyjne. Pomiar ich ruchu wymaga czasu i dużej precyzji. W tym miejscu Hubble osiągnął to, czego nie potrafi żaden inny współczesny teleskop. Astronomowie przyjrzeli się 12-letnim obserwacjom M4 z Hubble’a i wyodrębnili w nich precyzyjnie gwiazdy.
Zespół szacuje, że czarna dziura w M4 może być nawet 800 razy masywniejsza od naszego Słońca. Dane z Hubble’a raczej wykluczają alternatywne teorie dla tego obiektu, takie jak zwarta centralna gromada nierozpoznanych pozostałości gwiazdowych, na przykład gwiazd neutronowych, lub mniejsze czarne dziury wirujące nawzajem wokół siebie.
Mamy dużą pewność, że widzimy bardzo mały obszar z dużą ilością skoncentrowanej tam masy. Jest on około trzy razy mniejszy niż najgęstsza masa, którą znaleźliśmy wcześniej w innych gromadach kulistych – powiedział Vitral. Region ten jest bardziej zwarty niż to, co możemy odtworzyć za pomocą symulacji numerycznych, gdy weźmiemy pod uwagę zbiór czarnych dziur, gwiazd neutronowych i białych karłów posegregowanych w centrum gromady. Nie są one w stanie utworzyć tak zwartej koncentracji masy.
Zgrupowanie blisko siebie położonych obiektów byłoby dynamicznie niestabilne. Jeżeli obiekt nie jest pojedynczą czarną dziurą o masie pośredniej, do wytworzenia obserwowanych ruchów gwiazd potrzebne byłoby około 40 mniejszych czarnych dziur stłoczonych w przestrzeni o średnicy zaledwie 1/10 roku świetlnego. Konsekwencją tego byłoby ich połączenie i/lub wyrzucenie.
Mierzymy ruchy gwiazd i ich pozycje, a następnie stosujemy modele fizyczne, które próbują odtworzyć te ruchy. W rezultacie otrzymujemy pomiar tej "ciemnej masy" leżącej w centrum gromady – wyjaśnia Vitral. Im bliżej masy centralnej, tym bardziej losowo poruszają się gwiazdy. A im większa masa centralna, tym większe prędkości gwiazd.
Ponieważ czarne dziury o masie pośredniej w gromadach kulistych były dotąd tak nieuchwytne, Vitral ostrzega: Chociaż nie możemy całkowicie potwierdzić, że jest to centralny punkt grawitacji, możemy pokazać, że jest on bardzo mały. Jest zbyt mały, abyśmy mogli wyjaśnić go inaczej niż jako pojedynczą czarną dziurę. Alternatywnie może jednak istnieć mechanizm gwiazdowy, o którym po prostu nie wiemy, przynajmniej w ramach obecnej fizyki.
Więcej informacji:
- NASA's Hubble Hunts for Intermediate-Sized Black Hole Close to Home
- An elusive dark central mass in the globular cluster M4
Źródło: Hubblesite
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Na ilustracji: Gromada kulista M4. Źródło: ESA/Hubble, NASA
