Znaleziono pierwszą swobodną czarną dziurę! Odkrycia dokonały dwa międzynarodowe zespoły naukowców, wśród których byli astronomowie z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego.
Niewidoczny obiekt o masie kilku mas Słońca spowodował w 2011 roku mikrosoczewkowanie grawitacyjne nazwane OGLE-2011-BLG-0462 i w ten sposób ujawnił swoją obecność. Po wielu latach dalszych obserwacji oraz modelowania wiemy, że sprawczynią zjawiska jest samotna czarna dziura. Można więc powiedzieć, że astronomowie zyskali nową metodę wykrywania czarnych dziur.
Mikrosoczewkowanie grawitacyjne przez czarną dziurę. Źródło: NASA, ESA, K. Sahu (STScI), J. DePasquale (STScI)
Mikrosoczewkowanie, a detekcja czarnych dziur
Czarne dziury to tajemnicze obiekty o sile grawitacji tak dużej, że nic nie może się z nich wydostać, nawet światło. Początkowo były rozważane jedynie teoretycznie, i to dość dawno, bo już w XVIII wieku. Jednak postęp w poznawaniu tych obiektów nastąpił w XX wieku, kiedy to rozwinęła się teoria (np. ogólna teoria względności) i możliwości obserwacyjne. Wtedy to zaobserwowano obiekt Cygnus X-1, pierwszy układ podwójny z czarną dziurą jako jednym ze składników (obecnie znamy już kilkadziesiąt takich układów), a w ostatnich latach, dzięki obserwacjom fal grawitacyjnych, uzyskano dowody na istnienie kolejnych czarnych dziur.
Dodatkową kategorią tych obiektów są tzw. supermasywne czarne dziury, o których sądzimy, że znajdują się w centrach galaktyk. Supermasywne czarne dziury mają masy setki milionów, a nawet miliardy razy większe niż masa Słońca. Niedawno uzyskano nawet obrazy cienia takich czarnych dziur w centrach galaktyki M87 i Drogi Mlecznej.
Z teorii ewolucji gwiazd wiadomo jednak, że gdy masywne gwiazdy kończą swoja ewolucję, mogą po sobie pozostawić czarne dziury. Takich obiektów powinno być więc w każdej galaktyce dość sporo – również takich poruszających się samotnie, a nie w układach podwójnych. Jak jednak dostrzec samotny, niewidoczny obiekt, którego obecności nie zdradzi towarzysz z układu podwójnego, orbity gwiazd wokół centrum galaktyki, bądź inne interakcje z pobliską materią?
Z pomocą przychodzi mikrosoczewkowanie grawitacyjne. Astronomowie z polskiego projektu Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) i pozostali naukowcy z międzynarodowych grup badawczych pokazali właśnie, że metoda ta działa również przy wykrywaniu czarnych dziur. Od wielu lat jest stosowana do detekcji różnych niewidocznych obiektów, ale po raz pierwszy odkryto przy jej pomocy czarną dziurę.
Mikrosoczewkowanie grawitacyjne jest efektem wynikającym z ogólnej teorii względności. Jeżeli na drodze promieni świetlnych wysyłanych przez daleką gwiazdę znajduje się jakaś duża masa, spowoduje to ich ugięcie, niczym soczewka. W efekcie gwiazda pojaśnieje na pewien czas w bardzo charakterystyczny sposób. W zależności od masy niewidocznego obiektu (soczewki) długość trwania mikrosoczewkowania będzie różna. Dla mas rzędu kilku mas Słońca może to być nawet kilka lat.
W przypadku masywnych soczewek można dostrzec dodatkowy efekt, zwany mikrosoczewkowaniem astrometrycznym. Jest on bardzo trudny do zaobserwowania. Polega na tym, że w trakcie trwania zjawiska mikrosoczewkowania grawitacyjnego położenie źródła światła (np. odległej gwiazdy) na sferze niebieskiej ulega bardzo niewielkiej zmianie. Mierząc przy mikrosoczewkowaniu zarówno efekty fotometryczne (zmiana jasności gwiazdy), jak i astrometryczne (zmiana położenia gwiazdy), można wyznaczyć masę soczewki. Znając zaś tę masę, można następnie przypisać soczewkę do odpowiedniej kategorii obiektów astronomicznych.
Gdy czarna dziura przechodzi dokładnie przed gwiazdą tła pole grawitacyjne czarnej dziury, ugina światło tej gwiazdy i powoduje jej tymczasowe pojaśnienie. Obszar nieba wokół zjawiska OGLE-2011-BLG-0462 w trakcie trwania zjawiska mikrosoczewkowania (górny panel) i obserwowane zmiany jasności (dolny panel). Źródło: UC Berkeley/Moving Universe Lab/Casey Lam, Images from OGLE collaboration
Jak odkryto samotną czarną dziurę
2 czerwca 2011 roku w ramach projektu OGLE, realizowanego przez Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Warszawskiego, odkryto zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego OGLE-2011-BLG-0462. Dodatkowo mikrosoczewkowanie zarejestrował także nowozelandzko-japoński projektu MOA.
W momencie odkrycia pojaśnienia, niewątpliwie wywołanego mikrosoczewkowaniem, oczywiście nie sądziliśmy, że obiekt ten okaże się tak interesującym i przełomowym dla astrofizyki. A stał się kolejną perełką wśród 22 000 odkrytych przez nas zjawisk mikrosoczewkowania – wskazał prof. Andrzej Udalski z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego.
Kiedy okazało się, że skala czasowa zjawiska jest długa, czyli że wywołujący je obiekt powinien być masywny, zespół naukowców, którym kieruje prof. Kailasha Sahu ze Space Telescope Science Institute (Baltimore, USA), rozpoczął pomiary astrometryczne za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Było to w drugiej połowie 2011 roku. Pomiary powtarzano w kolejnych latach. Następnie w 2021 roku innym zespół naukowy, którym kierowali doktorantka Casey Lam i prof. Jessica Lu z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley (USA), również dokonał pomiarów. W wyniku modelowania ustalono, że masa obiektu to 7 albo 4,2 masy Słońca. Różnica w wynikach wynika z nieco innej metody analizy danych stosowanej przez wspomniane zespoły badawcze.
Wyniki modelowania jednoznacznie wskazują, że zjawisko OGLE-2011-BLG-0462 wywołane zostało przez masywny obiekt o masie kilku mas Słońca. Ponieważ światło zwyczajnej gwiazdy o takiej masie byłoby z łatwością zarejestrowane, soczewka musi być obiektem nieświecącym – swobodną czarną dziurą o masie gwiazdowej – wyjaśnił dr Przemysław Mróz, który jest członek zespołu OGLE i uczestniczył w modelowaniu zjawiska.
Czarna dziura, zakrzywiając światło gwiazdy tła, nieznacznie zmienia jej położenie na niebie. Czerwona linia pokazuje ruch gwiazdy tła, gdy jest ona soczewkowana przez czarną dziurę, podczas gdy linia szara pokazuje ruch gwiazdy tła w sytuacji, gdyby nie była soczewkowana. Różnica położeń nazywana jest przesunięciem astrometrycznym. Zaznaczone są również obserwacje z Teleskopu Hubble’a. Źródło: UC Berkeley/Moving Universe Lab/Natasha Abrams
Znaczenie odkrycia
Astronomowie przypuszczali, że swobodnych czarnych dziur może być w Drodze Mlecznej sporo. Odkrycie pierwszej z nich wskazuje, że przypuszczenia te mogą być prawdziwe, chociaż oczywiście trzeba znaleźć kolejne obiekty. Badacze mają nadzieję, że w kolejnych latach znajdziemy następne samotne czarne dziury – przykładowo dzięki obserwacjom obserwatorium Gaia. Będzie można wtedy oszacować populację tych obiektów i pokusić się o wyznaczenie rozkładu ich mas.
Odkrycie pierwszej swobodnej czarnej dziury to także zademonstrowanie w praktyce nowej metody odkrywania tego typu obiektów.
Publikacja wyników
Wyniki badań przedstawiono w dwóch artykułach. Publikacja zatytułowana „An isolated stellar-mass black hole detected through astrometric microlensing” ukazała się w „The Astrophysical Journal”, a tekst pt. „An isolated mass gap black hole or neutron star detected with astrometric microlensing” przeczytamy w „The Astrophysical Journal Letters”.
W obu publikacjach jest wielu polskich współautorów: Andrzej Udalski, Przemysław Mróz, Szymon Kozłowski, Paweł Pietrukowicz, Radosław Poleski, Jan Skowron, Igor Soszyński, Michał K. Szymański, Krzysztof Ulaczyk i Łukasz Wyrzykowski.
Więcej informacji:
- Komunikat NASA: Hubble Determines Mass of Isolated Black Hole Roaming Our Milky Way
- Komunikat ESA: Hubble Determines Mass of Isolated Black Hole Roaming Our Milky Way
- Komunikat OA UW: Swobodne czarne dziury w Drodze Mlecznej
- Publikacja naukowa: An isolated stellar-mass black hole detected through astrometric microlensing
- Publikacja naukowa: An isolated mass gap black hole or neutron star detected with astrometric
- microlensing
Opracowanie: Krzysztof Czart
Źródło: OA UW
Na ilustracji na samej górze:
Wizja artystyczna: obraz tła Drogi Mlecznej zakłócony przez grawitację wędrującej czarnej dziury. Czarna dziura na skutek swej ogromnej grawitacji zakrzywia wokół siebie przestrzeń, co powoduje zniekształcenia obrazów znajdujących się za nią gwiazd tła. Źródło: NASA, STScI, zdjęcie: FECYT, IAC
