Dzięki kosmicznemu obserwatorium Gaia, naziemnemu teleskopowi VLT i innym instrumentom, astronomom udało się wytropić rekordową czarną dziurę w Drodze Mlecznej. W badaniach uczestniczyli polscy naukowcy z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego.
Większość spośród kilkudziesięciu znanych czarnych dziur pochodzenia gwiazdowego znajduje się w układach podwójnych. Gdy czarna dziura wysysa materię ze swojej gwiazdy towarzyszki, emitowane jest promieniowanie rentgenowskie. jednak w sytuacji, gdy czarna dziura występuje samotnie, zdecydowanie trudniej taki uśpiony obiekt znaleźć.
Sztuka ta powiodła się naukowcom z kosmicznego obserwatorium Gaia. Udało się odkryć już trzecią uśpioną czarną dziurę, a na dodatek obiekt ma rekordowe własności. Odkrycie było przypadkowe, bowiem celem badań było co innego: sprawdzanie poprawności danych przy przygotowywaniu kolejnej edycji katalogu misji Gaia. W związku z tym, że odkrycie jest istotne, a publikacja katalogu nastąpi najwcześniej w 2025 roku, badacze zdecydowali o wcześniejszej publikacji wyników analizy na bazie wstępnych danych.
Rekordzistka wśród czarnych dziur
Analizowanym obiektem był jasna, stara gwiazda widoczna na niebie w konstelacji Orła. Odległość do gwiazdy określono jako 1926 lat świetlnych. Analiza jej ruchu orbitalnego wskazała, że znajduje się w systemie podwójnym z uśpioną czarną dziurę o dużej masie. Masę tę wyznaczono na 33 razy większą niż masa Słońca, a obiekt nazwano Gaia BH3.
33 masy Słońca to rekordowy wynik wśród gwiazdowych czarnych dziur w Drodze Mlecznej i to sporo większy od poprzedniej rekordzistki, którą była czarna dziura w rentgenowskim układzie podwójnym Cygnus X-1, mająca masę około 20 razy większą niż masa Słońca. Co więcej, typowa masa czarnych dziur pochodzenia gwiazdowego w Drodze Mlecznej wynosi około 10 mas Słońca.
Badaniami kierował dr Pasquale Panuzzo z Obserwatorium Paryskiego we Francji. Naukowiec wskazał, że jest to rodzaj odkrycia, którego dokonuje raz w całym swoim naukowym życiu.
Znaczenie odkrycia tłumaczy prof. Łukasz Wyrzykowski z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego (OA UW), który jest członkiem zespołu Gaia od 2008 roku i należy do Grupy Specjalnej od Czarnych Dziur. Przy masie trzydzieści razy większej niż ta, którą ma Słońce obserwujemy wyniki typowe dla pomiarów mas bardzo odległych czarnych dziur obserwowanych przez eksperymenty fal grawitacyjnych. Pomiary Gaia stanowią pierwszy niepodważalny dowód na istnienie tak ciężkich czarnych dziur - mówi prof. Wyrzykowski.
Samo odkrycie to jednak nie koniec. Astronomów czeka teraz trudne zadanie: próba wyjaśnienia pochodzenia czarnych dziur tak dużych jak Gaia BH3. Najpopularniejsze teorie wskazują, że w trakcie ewolucji masywne gwiazdy tracą znaczą część swojej materii poprzez silne wiatry gwiazdowe i wyrzucenie części materii podczas wybuchu supernowej. To co przetrwa z jądra gwiazdy, ulega skurczeniu i zmienia się w czarną dziurę lub gwiazdę neutronową. O tym, który z tych dwóch rodzajów obiektów powstanie, decyduje masa. Niezwykle trudne jest wyjaśnienie obiektu, który były wstanie wyprodukować czarną dziurę o 33 masach Słońca.
Ciekawa towarzyszka czarnej dziury
Oprócz rekordowej czarnej dziury, również sama gwiazda krążąca wokół Gaia BH3 jest interesująca. Jej okres orbitalny wynosi 11,6 lat, a odległość od czarnej dziury to dystans 16 razy większy niż Ziemi od Słońca. Gwiazda ta jest olbrzymem i powstała w trakcie pierwszych 2 miliardów lat po Wielkim Wybuchu, kiedy nasza galaktyka dopiero się formowała. Gwiazda ma bardzo niewiele tzw. "metali", czyli w terminologii astronomicznej pierwiastków cięższych niż wodór i hel. Gdy mamy gwiazdy w układzie podwójnym, to zwykle mają one ten sam skład, a więc gwiazda, z której narodziła się czarna dziura również powinna być uboga w metale.
Zaskakujące jest to, że skład chemiczny towarzyszki jest podobny do tego, który znajdujemy w starych, ubogich w metale gwiazdach w Galaktyce - wyjaśnia dr Milena Ratajczak z OA UW, członkini konsorcjum Gaia.
Zaobserwowany układ może być więc pierwszym potwierdzeniem hipotezy, że czarne dziury o dużej masie obserwowane w eksperymentach z falami grawitacyjnymi powstały w wyniku zapadnięcia się pierwotnych masywnych gwiazd, ubogich w ciężkie pierwiastki. Ich ewolucja mogła przebiegać inaczej niż masywnych gwiazd istniejących obecnie w Drodze Mlecznej.
W analizach wykorzystano obserwacje z różnych instrumentów naukowych. Przede wszystkim z kosmicznego obserwatorium Gaia, które należy do Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA). Głównym celem projektu Gaia jest mierzenie odległości do gwiazd i stworzenie trójwymiarowej mapy sporego obszaru Drogi Mlecznej. Przy okazji zebrane dane można wykorzystywać do wielu innych zagadnień naukowych, czego przykładem jest opisywane odkrycie.
Dodatkowymi instrumentami wykorzystanymi do potwierdzenia odkrycia były naziemne: spektrograf UVES na teleskopie VLT w Chile (Europejskie Obserwatorium Południowe), spektrografu HERMES na Teleskopie Mercatora na La Palmie w Hiszpanii (którym zarządza Uniwersytet Leuven z Belgii, we współpracy z Obserwatorium Uniwersytetu Genewskiego w Szwajcarii), spektrograf SOPHIE w Obserwatorium Haute-Provence we Francji (którym zarządza OSU Institut Pythéas).
Wyniki badań zostały opublikowane 16 kwietnia w „Astronomy & Astrophysics”.
Więcej informacji:
- Komunikat ESO: Znaleziono najmasywniejszą gwiazdową czarną dziurę w naszej galaktyce
- Komunikat OA UA: Rekordowa czarna dziura odkryta przez misję kosmiczną Gaia
- Publikacja naukowa: Discovery of a dormant 33 solar-mass black hole in pre-release Gaia astrometry
Opracowanie: Krzysztof Czart
Źródło: ESO / OA UW
Ilustracja:
Artystyczne porównanie kilku czarnych dziur w Drodze Mlecznej: Gaia BH1, Cygnus X-1 oraz Gaia BH3 o masach 10, 21 i 33 razy większych niż masa Słońca. Źródło: ESO/M. Kornmesser.
