W centrum gromady kulistej Omega Centauri, leżącej się około 17 tys. lat świetlnych od Ziemi, znajduje się czarna dziura. Dowodów na obecność obiektu dostarczyły szybko poruszające się gwiazdy w Omega Centauri. To rzadki typ obiektu o masie pośredniej.
Czarne dziury są dość trudne do zlokalizowania. Nie emitują i nie odbijają światła. Obiekty te są tak masywne, że po osiągnięciu pewnego punktu (horyzontu zdarzeń) prędkość ucieczki, czyli prędkość potrzebna do opuszczenia pola grawitacyjnego obiektu, przekracza prędkość światła w próżni i nawet światło nie jest w stanie opuścić tego obszaru.
A jednak jesteśmy w stanie zlokalizować takie obiekty - na podstawie oddziaływań z otaczającą je materią oraz światłem. Wiemy, że istnieją czarne dziury, które powstały w wyniku kolapsu gwiazdy, o masach od kilku do kilkunastu mas naszego Słońca. To tzw. czarne dziur o masach gwiazdowych. Znamy też supermasywne czarne dziury, których masy zaczynają się od około 100 tys. mas naszej gwiazdy.
Ale pomiędzy tymi dwoma rodzajami czarnych dziur stoi solidny znak zapytania. Do tej pory dowody na istnienie czarnych dziur o masach pośrednich, czyli takich, które znajdują się gdzieś pośrodku tego zakresu mas, były znikome. Teraz badacze z międzynarodowego zespołu, który stoi za publikacją na łamach pisma „Nature” (DOI: 10.1038/s41586-024-07511-z), uważają, że mają solidne dowody na istnienie takiego właśnie obiektu.
Według nich, czarna dziura o masie pośredniej znajduje się w centrum gromady kulistej Omega Centauri. Odkrycie to wydaje się potwierdzać wcześniejsze koncepcje, że Omega Centauri jest jądrem galaktyki, która została pochłonięta przez Drogę Mleczną miliardy lat temu.
Omega Centauri to gromada kulista, w której znajduje się około 10 milionów ciasno upakowanych gwiazd. Nowe badania potwierdzają to, co astronomowie podejrzewali od jakiegoś czasu - Omega Centauri posiada w swoim centrum czarną dziurę. Co więcej, obiekt ten wydaje się być czarną dziurą o masie pośredniej, jakby utknął w pośrednim stadium ewolucji. Jest masywniejszy od najmniejszych czarnych dziur, ale daleko mu do supermasywnych potworów w niektórych galaktykach.
Gwiezdne czarne dziury, o masie od jednej do kilkudziesięciu mas Słońca, są dobrze znane, podobnie jak supermasywne czarne dziury o masie milionów, a nawet miliardów mas naszej gwiazdy. Jednak mało jest przekonywujących dowodów na istnienie czarnych dziur, które znajdują się gdzieś pośrodku tego zakresu mas.
Uczeni uważają, że najwcześniejsze galaktyki miały w centrum czarne dziury średniej wielkości, które rosły z czasem, gdy te galaktyki ewoluowały, pochłaniając mniejsze, tak jak zrobiła to Droga Mleczna lub łącząc się z większymi galaktykami. Te wczesne galaktyki już dawno wyrosły z fazy pośredniej i teraz zawierają w swoich centrach znacznie większe czarne dziury. Z kolei galaktyki karłowate, które na przestrzeni czasu pozostały małe, są na ogół trudne do obserwacji. Chociaż istnieją obiecujący kandydaci, nie było żadnego pewnego wykrycia czarnej dziury o masie pośredniej. Aż do teraz.
Ta gromada kulista jest wyjątkowa dla astronomów. Zakładając, że w zamierzchłej przeszłości było to jądro małej galaktyki, która została pochłonięta przez Drogę Mleczną, to proces fuzji pozbawił ją wszystkich gwiazd poza tymi znajdującymi się w centralnym obszarze. Pozostałe jądro galaktyki i jej czarna dziura zostały „zamrożone w czasie”. Czarna dziura nie miała zwyczajnie na czym żerować, a co za tym idzie, nie mogła rosnąć, zachowała rozmiar, jaki miała, gdy Omega Centauri została pochłonięta przez Drogę Mleczną.
Aby przetestować tę hipotezę, konieczne było wykrycie czarnej dziury w centrum Omega Centauri. Ale naukowcy mieli z tym spore trudności. Chociaż istniały dowody z modeli wielkoskalowych ruchów gwiazd w gromadzie, to pozostawiały one pewne wątpliwości.
Analizując ponad 500 zdjęć wykonanych przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a, badacze zmierzyli prędkość 1,4 miliona gwiazd w Omega Centauri. Większość tych fotografii została wykonana w celu kalibracji instrumentów Hubble'a, a nie do celów naukowych. Jednak dzięki ciągle powtarzającym się na nich widokom Omega Centauri okazały się idealnym zestawem danych do badań.
- Poszukiwanie gwiazd o dużej prędkości i dokumentowanie ich ruchu było przysłowiowym szukaniem igły w stogu siana – powiedział Maximilian Häberle z Instytutu Astronomii Maxa Plancka w Niemczech. Ostatecznie Häberle znalazł nie jedną, a siedem igieł w swoim archiwalnym stogu siana - siedem charakterystycznych, szybko poruszających się gwiazd w małym regionie w centrum Omega Centauri.
Zlokalizowane szybko poruszające się gwiazdy nabrały prędkości z powodu obecności w ich pobliżu skoncentrowanej masy. Siedem szybkich gwiazd, o różnych prędkościach i kierunkach ruchu, pozwoliło badaczom oddzielić różne efekty i ustalić, że w centrum Omega Centauri znajduje się obiekt o masie co najmniej 8200 Słońc. Obrazy nie wskazują żadnego widocznego obiektu w domniemanej lokalizacji, czego można było się spodziewać w przypadku czarnej dziury. Szersza analiza pozwoliła nie tylko dokładnie określić prędkość siedmiu szybkich gwiazd. Zawęziła również lokalizację obiektu.
- Teraz mamy potwierdzenie, że Omega Centauri zawiera czarną dziurę o masie pośredniej. W odległości około 17 tys. lat świetlnych jest to najbliższy znany przykład masywnej czarnej dziury – powiedziała Nadine Neumayer z Instytutu Astronomii Maxa Plancka. Dla porównania supermasywna czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej znajduje się w odległości około 27 tys. lat świetlnych, ale bliżej są mniejsze czarne dziury o masach gwiazdowych.
Źródło: Max Planck Society, University of Queensland, Science, fot. ESA/Hubble & NASA, M. Häberle (MPIA)
