Dodano: 15 czerwca 2022r.

Astronomowie odkryli pierwszą czarną dziurę swobodnie wędrującą przez Drogę Mleczną

W 2011 roku astronomowie dostrzegli czarną dziurę swobodnie wędrującą przez przestrzeń międzygwiazdową. Badania, które ukazały się na początku tego roku, właśnie zyskały ważne potwierdzenie. Drugi zespół naukowców, przeprowadzający oddzielną, niezależną analizę, również dostrzegł tajemniczy obiekt. W badaniach brali udział uczeni z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego.

Astronomowie odkryli pierwszą czarną dziurę swobodnie wędrującą przez Drogę Mleczną

 

Czarne dziury z natury są niewidoczne, chyba że są częścią układu podwójnego z gwiazdą lub są otoczone dyskiem akrecyjnym. Jednak poza sytuacjami, kiedy czarne dziury pochłaniają materię, trudno je obserwować, bo czarne dziury są tak masywne, że nawet światło nie jest w stanie oprzeć się ich grawitacyjnemu uściskowi. O ich obecności astronomowie wnioskują na podstawie efektów grawitacyjnych wywieranych na otoczenie, czyli zachowania gwiazd i materii w ich najbliższym sąsiedztwie.

Z tego też powodu czarne dziury przez długie lata pozostawały obiektami teoretycznymi, mimo że ich istnienie zostało przewidziane jeszcze w XVIII wieku przez m.in. Pierre Laplace’a czy Karla Schwarzschilda, jako wynik ogólnej teorii względności Alberta Einsteina. Obecnie wiemy, że centrum prawie każdej galaktyki znajduje się supermasywna czarna dziura. W przypadku galaktyk podobnych do naszej Drogi Mlecznej, masy supermasywnych czarnych dziur zawierają się w przedziale od kilkuset tysięcy do kilku milionów mas Słońca. Dla porównania masa czarnej dziury w Drodze Mlecznej to pięć milionów mas Słońca.

Ale badacze już od jakiegoś czasu zakładali, że w przestrzeni międzygwiazdowej może krążyć wiele swobodnie poruszających się czarnych dziur, ale aż do teraz nie udało się żadnej dostrzec. W danych z obserwacji przeprowadzonych w 2011 roku przez projekt OGLE, naukowcy dostrzegli zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego oznaczone jako OGLE-2011-BLG-0462. Początkowo badacze uznali, że mikrosoczewkowanie było spowodowane obecnością samotnej czarnej dziury wędrującej w przestrzeni międzygwiazdowej. Teraz niezależne analizy przeprowadzone przez inny zespół badaczy potwierdził wcześniejsze przypuszczenia. Jednak nowe badania wskazują, że potrzeba więcej danych, by z całą pewność uznać obiekt za czarną dziurę, bo może on być gwiazdą neutronową

Wyniki analiz zostały przesłane do publikacji w „The Astrophysical Journal”. Obecnie można się z nimi zapoznać w bazie pre-printów  arXiv (arXiv.2202.01903).

Mikrosoczewkowanie grawitacyjne

Około pięć tys. lat świetlnych od Ziemi w gwiazdozbiorze Strzelca naukowcy dostrzegli czarną dziurę swobodnie wędrującą poprzez galaktykę. Obiekt udało się dostrzec dzięki zjawisku mikrosoczewkowania grawitacyjnego.

Grawitacja wypacza czasoprzestrzeń. Im gęstszy obiekt, tym silniejsza jest jego siła grawitacyjna, a gdy obiekt jest tak gęsty jak czarna dziura, to wypaczenie jest tak niewiarygodne, że działa jak soczewka, powiększając i zniekształcając znajdujące się za nim źródło światła. Zjawisko mikrosoczewkowania zachodzi, gdy światło od odległego źródła uginane jest przez bliższy obiekt zwany soczewką. Masa soczewki zakrzywia przestrzeń wokół niej, co powoduje ugięcie promieni świetlnych, w efekcie czego można zaobserwować pojaśnienie źródła.

Innymi słowy, do mikrosoczewkowania grawitacyjnego dochodzi wtedy, gdy grawitacja obiektów zagina i wzmacnia światło z odleglejszych gwiazd w chwili, gdy na jednej linii znajdzie się źródło promieniowania, obiekt soczewkujący oraz obserwator na Ziemi. Jeśli soczewką jest gwiazda, to pojaśnienie trwa od kilku do nawet około stu dni, jeśli zaś soczewką jest planeta – od kilku godzin do paru dni.

Zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego było już używane do identyfikacji małych, niewyraźnych obiektów, jak planety swobodne, które w innym przypadku mogłyby być zbyt trudne do zauważenia przez nasze teleskopy. Ale po raz pierwszy za pomocą mikrosoczewkowania odkryto samotną czarną dziurę.

OGLE

Naukowcy uważają, że w końcowym etapie życia masywnych gwiazd, czyli w wybuchach supernowych, powstają czarne dziury o masach od kilku do kilkunastu mas Słońca. Tego typów obiektów powinno być w galaktyce bardzo dużo. Szacuje się, że nawet kilkanaście milionów. Jednak te samotnie wędrujące po Drodze Mlecznej obiekty ukrywają się przed naszym wzrokiem.

Naukowcy z realizowanego przez Uniwersytet Warszawski projektu OGLE zaobserwowali 2 czerwca 2011 roku zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego oznaczone jako OGLE-2011-BLG-0462. Jednocześnie zostało ono zarejestrowane także przez nowozelandzko-japoński projekt 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 – przyznał w komunikacie prasowym prof. Andrzej Udalski z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego.

Samotna czarna dziura

Zespół OGLE regularnie obserwował omawiane mikrosoczewkowanie grawitacyjne OGLE-2011-BLG-0462 przez dziewięć lat, zbierając 15 545 precyzyjnych pomiarów jasności obiektu, które wykorzystano do modelowania fotometrycznego efektu zjawiska.

Gdy już było wiadomo, że skala czasowa zjawiska jest długa (a więc obiekt soczewkujący jest masywny), w drugiej połowie 2011 roku zespół naukowców, którym kieruje prof. Kailasha Sahu ze Space Telescope Science Institute (USA) rozpoczął obserwacje przy pomocy Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, wykonując pomiary astrometryczne. W kolejnych latach wykonano dalsze pomiary i w 2021 roku uzupełniono je o pomiary od innego zespołu, którym kierowali doktorantka Casey Lam i prof. Jessica Lu z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley (USA).

Modelowanie wskazuje, że niewidoczny obiekt powodujący mikrosoczewkowanie grawitacyjne ma masę 7 lub 4,2 razy większą niż Słońce. Są to wyniki od obu zespołów badawczych – różnica wynika z nieco innego sposobu analizy danych, ale masy wskazują, że najbardziej prawdopodobnym obiektem jest tutaj czarna dziura.

- 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 – wyjaśnia dr Przemysław Mróz – członek zespołu OGLE uczestniczący w modelowaniu zjawiska.

Odkrycie pierwszej swobodnej czarnej dziury w Drodze Mlecznej potwierdza przypuszczenia, że tego typu obiektów powinno być bardzo dużo. Jest też otwarciem nowego sposobu detekcji czarnych dziur. Naukowcy mają nadzieję na znalezienie kolejnych przypadków samotnych czarnych dziur, m.in. dzięki kosmicznemu obserwatorium Gaia, co pozwoli na oszacowanie populacji tych obiektów w naszej galaktyce, a także wyznaczenie rozkładu ich mas.

 

Źródło: University of California – Berkeley, Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Warszawskiego, PAP, fot. ECYT, IAC