Czarna dziura o masie gwiazdowej na naszym kosmicznym podwórku

Astronomowie korzystający z Międzynarodowego Obserwatorium Gemini, prowadzonego przez NSF’s NOIRLab, odkryli najbliższą Ziemi czarną dziurę. Jest to pierwsza jednoznaczna detekcja uśpionej czarnej dziury o masie gwiazdowej w Drodze Mlecznej. Jej bliskość do Ziemi, zaledwie 1600 lat świetlnych, stanowi intrygujący cel badań, które pozwolą nam lepiej zrozumieć ewolucję układów podwójnych.

Czarne dziury w Drodze Mlecznej

Czarne dziury to najbardziej ekstremalne obiekty we Wszechświecie. Supermasywne wersje tych niewyobrażalnie gęstych obiektów prawdopodobnie znajdują się w centrach wszystkich dużych galaktyk. Czarne dziury o masie gwiazdowej – ważące od pięciu do stu razy więcej niż Słońce – są znacznie bardziej powszechne, a ich liczbę w samej Drodze Mlecznej szacuje się na 100 milionów. Jednak do tej pory potwierdzono istnienie tylko kilku z nich, a prawie wszystkie są „aktywne”, co oznacza, że świecą jasno w promieniach X, ponieważ pochłaniają materię z pobliskiego gwiezdnego towarzysza, w przeciwieństwie do uśpionych czarnych dziur, które tego nie robią.

Astronomowie używający teleskopu Gemini North na Hawajach, jednego z bliźniaczych teleskopów Międzynarodowego Obserwatorium Gemini, prowadzonego przez NSF’s NOIRLab, odkryli najbliższą Ziemi czarną dziurę, którą badacze nazwali Gaia BH1. Ta uśpiona czarna dziura jest około 10 razy bardziej masywna od Słońca i znajduje się w odległości około 1600 lat świetlnych w gwiazdozbiorze Ophiuchus, co czyni ją trzykrotnie bliższą Ziemi niż poprzedni rekordzista, rentgenowska dwójka w gwiazdozbiorze Monoceros. Nowe odkrycie było możliwe dzięki przeprowadzeniu dokładnych obserwacji ruchu towarzysza czarnej dziury, gwiazdy podobnej do Słońca, która okrąża czarną dziurę w mniej więcej takiej samej odległości, w jakiej Ziemia okrąża Słońce.

„Weźmy Układ Słoneczny, umieśćmy czarną dziurę tam, gdzie jest Słońce, a Słońce tam, gdzie jest Ziemia, i otrzymamy ten system” – wyjaśnił Kareem El-Badry, astrofizyk z Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonianand the Max Planck Institute for Astronomy, i główny autor pracy opisującej to odkrycie. „Chociaż było wiele twierdzeń o wykryciu systemów takich jak ten, prawie wszystkie te odkrycia zostały później obalone. Jest to pierwsze jednoznaczne wykrycie gwiazdy podobnej do Słońca na szerokiej orbicie wokół czarnej dziury o masie gwiazdowej w naszej Galaktyce.”

Wykryte czarne dziury

Choć prawdopodobnie istnieją miliony czarnych dziur o masie gwiazdowej przemierzających Galaktykę Drogi Mlecznej, te nieliczne, które zostały wykryte, zostały odsłonięte dzięki ich energetycznym oddziaływaniom z gwiazdą towarzyszącą. Gdy materia z pobliskiej gwiazdy zmierza w kierunku czarnej dziury, ulega przegrzaniu i generuje silne promieniowanie rentgenowskie oraz dżety materii. Jeśli czarna dziura nie odżywia się aktywnie (tzn. jest uśpiona), po prostu wtapia się w otoczenie.

„Szukałem uśpionych czarnych dziur przez ostatnie cztery lata, używając szerokiej gamy zestawów danych i metod” – powiedział El-Badry. „Moje poprzednie próby – jak również innych – doprowadziły do odkrycia menażerii układów binarnych, które maskują się jako czarne dziury, ale to jest pierwszy raz, kiedy poszukiwania przyniosły owoce”.

Pomiary

Zespół pierwotnie zidentyfikował system jako potencjalnie goszczący czarną dziurę, analizując dane z należącej do Europejskiej Agencji Kosmicznej sondy kosmicznej Gaia. Gaia uchwyciła drobne nieregularności w ruchu gwiazdy spowodowane grawitacją niewidocznego masywnego obiektu. Aby zbadać system bardziej szczegółowo, El-Badry i jego zespół zwrócili się do instrumentu Gemini Multi-Object Spectrograph na Gemini North, który zmierzył prędkość gwiazdy towarzyszącej, gdy krążyła wokół czarnej dziury i dostarczył precyzyjnych pomiarów jej okresu orbitalnego. Obserwacje Gemini były kluczowe dla określenia ruchu orbitalnego i tym samym masy obu składników układu podwójnego, co pozwoliło zespołowi zidentyfikować ciało centralne jako czarną dziurę mniej więcej 10 razy masywniejszą od naszego Słońca.

„Nasze obserwacje uzupełniające Gemini potwierdziły ponad wszelką wątpliwość, że układ podwójny zawiera normalną gwiazdę i przynajmniej jedną uśpioną czarną dziurę” – rozwinął El-Badry. „Nie mogliśmy znaleźć żadnego wiarygodnego scenariusza astrofizycznego, który mógłby wyjaśnić obserwowaną orbitę układu, który nie obejmowałby przynajmniej jednej czarnej dziury”.

Zespół polegał nie tylko na znakomitych możliwościach obserwacyjnych Gemini North, ale także na zdolności Gemini do dostarczania danych w napiętym terminie, ponieważ zespół miał tylko krótkie okno, w którym mógł wykonać swoje obserwacje uzupełniające.

„Kiedy mieliśmy pierwsze wskazówki, że system zawiera czarną dziurę, mieliśmy tylko tydzień, zanim oba obiekty znajdą się w najbliższej separacji na swoich orbitach. Pomiary w tym momencie są niezbędne, aby dokonać dokładnych oszacowań masy w układzie podwójnym” – powiedział El-Badry. „Zdolność Gemini do dostarczenia obserwacji w krótkim czasie była kluczowa dla powodzenia projektu. Gdybyśmy przegapili to wąskie okno, musielibyśmy czekać kolejny rok.”

Obecne modele astronomów dotyczące ewolucji układów podwójnych są trudne do wyjaśnienia, jak mogła powstać osobliwa konfiguracja układu Gaia BH1. W szczególności, gwiazda progenitorowa, która później przekształciła się w nowo wykrytą czarną dziurę, byłaby co najmniej 20 razy masywniejsza od naszego Słońca. Oznacza to, że żyłaby zaledwie kilka milionów lat. Gdyby obie gwiazdy powstały w tym samym czasie, ta masywna gwiazda szybko przekształciłaby się w supergiganta, nadymając się i pochłaniając drugą gwiazdę, zanim ta zdążyła stać się właściwą, spalającą wodór gwiazdą ciągu głównego, taką jak nasze Słońce.

Nie jest wcale jasne, jak gwiazda o masie słonecznej mogła przetrwać ten epizod, kończąc jako pozornie normalna gwiazda, na co wskazują obserwacje binarnej czarnej dziury. Modele teoretyczne, które pozwalają na przetrwanie, przewidują, że gwiazda o masie słonecznej powinna była znaleźć się na znacznie ciaśniejszej orbicie niż ta, którą faktycznie obserwujemy.

Może to wskazywać na istnienie ważnych luk w naszym rozumieniu tego, jak czarne dziury tworzą się i ewoluują w układach podwójnych, a także sugeruje istnienie jeszcze niezbadanej populacji uśpionych czarnych dziur w układach podwójnych.

„Interesujące jest to, że ten system nie jest łatwo zakwaterowany przez standardowe modele ewolucji układów podwójnych” – podsumował El-Badry. „Stawia to wiele pytań dotyczących tego, jak ten układ podwójny został uformowany, a także jak wiele takich uśpionych czarnych dziur tam jest”.

„Jako część sieci kosmicznych i naziemnych obserwatoriów, Gemini North nie tylko dostarczyło silnych dowodów na istnienie najbliższej do tej pory czarnej dziury, ale także pierwszego dziewiczego układu czarnej dziury, niezmąconego przez zwykły gorący gaz oddziałujący z czarną dziurą,” powiedział NSF Gemini Program Officer Martin Still. „Choć potencjalnie wróży to przyszłe odkrycia przewidywanej populacji uśpionych czarnych dziur w naszej Galaktyce, obserwacje pozostawiają również zagadkę do rozwiązania – pomimo wspólnej historii z egzotycznym sąsiadem, dlaczego gwiazda towarzysząca w tym układzie podwójnym jest tak normalna?”.

Obserwacje Gemini North zostały wykonane w ramach programu Director’s discretionary time (program id: GN-2022B-DD-202).

Międzynarodowe Obserwatorium Gemini jest prowadzone przez partnerstwo sześciu krajów, w tym Stanów Zjednoczonych poprzez National Science Foundation, Kanady poprzez National Research Council of Canada, Chile poprzez Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo, Brazylii poprzez Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovações, Argentyny poprzez Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación oraz Korei poprzez Korea Astronomy and Space Science Institute. Wymienieni uczestnicy oraz Uniwersytet Hawajski, który ma stały dostęp do Gemini, utrzymują „Krajowe Biuro Gemini”, aby wspierać swoich lokalnych użytkowników.

Źródło: Association of Universities for Research in Astronomy (AURA).