Hubble poluje na czarną dziurę o masie pośredniej blisko domu
Astronomowie korzystający z HST przedstawili najlepsze jak dotąd dowody na obecność rzadkiej klasy czarnych dziur o masie pośredniej, które mogą czaić się w sercu najbliższej Ziemi gromady kulistej, znajdującej się w odległości 6000 lat świetlnych.
Gromada kulista M4. Źródło: ESA/Hubble, NASA
Podobnie jak intensywne dziury grawitacyjne w strukturze przestrzeni kosmicznej, praktycznie wszystkie czarne dziury wydają się występować w dwóch rozmiarach: małym i ogromnym. Szacuje się, że nasza Galaktyka jest zaśmiecona 100 milionami małych czarnych dziur (o masie kilkakrotnie większej niż masa naszego Słońca) powstałych w wyniku eksplozji gwiazd. Wszechświat jest zalany supermasywnymi czarnymi dziurami, ważącymi miliony lub miliardy razy więcej niż masa naszego Słońca i znajdującymi się w centrach galaktyk.
Od dawna poszukiwanym brakującym ogniwem jest czarna dziura o masie pośredniej, ważąca od 100 do 100 000 Słońc. Jak mogłyby one powstać, gdzie mogłyby się znajdować i dlaczego wydają się być tak rzadkie?
Astronomowie zidentyfikowali inne możliwe czarne dziury o masie pośredniej za pomocą różnych technik obserwacyjnych. Dwie z najlepszych kandydatek – 3XMM J215022.4−055108, którą Hubble pomógł odkryć w 2020 roku, oraz HLX-1, zidentyfikowana w 2009 roku, znajdują się w gęstych gromadach gwiazd na obrzeżach innych galaktyk. Każda z tych potencjalnych czarnych dziur ma masę dziesiątek tysięcy Słońc i mogła kiedyś znajdować się centrum galaktyki karłowatej. Należące do NASA obserwatorium Chandra również pomogło w odkryciu wielu możliwych czarnych dziur o masie pośredniej, w tym dużej próbki w 2018 roku.
Spoglądając znacznie bliżej domu, w gęstych gronach kulistych krążących wokół naszej Galaktyki, wykryto wiele domniemanych czarnych dziur o masie pośredniej. Na przykład w 2008 roku astronomowie ogłosili podejrzenie obecności czarnej dziury o masie pośredniej w gromadzie kulistej Omega Centauri. Z wielu powodów, w tym potrzeby uzyskania większej ilości danych, te i inne odkrycia czarnych dziur o masie pośredniej nadal pozostają niejednoznaczne i nie wykluczają alternatywnych teorii.
Unikalne możliwości Hubble’a zostały teraz wykorzystane do skupienia się na jądrze gromady kulistej M4, aby polować na czarne dziury z większą precyzją niż w poprzednich poszukiwaniach. Nie można prowadzić tego rodzaju badań bez Hubble’a – powiedział Eduardo Vitral z Space Telescope Science Institute w Baltimore w stanie Maryland, główny autor artykułu, który został opublikowany 23 maja 2023 roku w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Zespół Vitrala wykrył potencjalną czarną dziurę o masie pośredniej mającą około 800 mas Słońca. Podejrzanego obiektu nie można zobaczyć, ale jego masę oblicza się, badając ruch gwiazd złapanych w jej pole grawitacyjne. Pomiar ich ruchu wymaga czasu i dużej precyzji. W tym miejscu Hubble osiągnął to, czego nie potrafi żaden inny współczesny teleskop. Astronomowie przyjrzeli się 12-letnim obserwacjom M4 z Hubble’a i wyodrębnili precyzyjnie gwiazdy.
Jego zespół szacuje, że czarna dziura w M4 może być nawet 800 razy masywniejsza naszego Słońca. Dane z Hubble’a raczej wykluczają alternatywne teorie dla tego obiektu, takie jak zwarta centralna gromada nierozpoznanych pozostałości gwiazdowych, takich jak gwiazdy neutronowe, lub mniejsze czarne dziury wirujące wokół siebie.
Mamy dużą pewność, że mamy bardzo mały region z dużą ilością skoncentrowanej masy. Jest on około trzy razy mniejszy niż najgęstsza ciemna masa, którą znaleźliśmy wcześniej w innych gromadach kulistych – powiedział Vitral. Region jest bardziej zwarty niż to, co możemy odtworzyć za pomocą symulacji numerycznych, gdy weźmiemy pod uwagę zbiór czarnych dziur, gwiazd neutronowych i białych karłów posegregowanych w centrum gromady. Nie są one w stanie utworzyć tak zwartej koncentracji masy.
Zgrupowanie blisko siebie położonych obiektów byłoby dynamicznie niestabilne. Jeżeli obiekt nie jest pojedynczą czarną dziurą o masie pośredniej, do wytworzenia obserwowanych ruchów gwiazd potrzebne byłoby około 40 mniejszych czarnych dziur stłoczonych w przestrzeni o średnicy zaledwie 1/10 roku świetlnego. Konsekwencją tego byłoby ich połączenie i/lub wyrzucenie.
Mierzymy ruchy gwiazd i ich pozycje, a następnie stosujemy modele fizyczne, które próbują odtworzyć te ruchy. W rezultacie otrzymujemy pomiar rozszerzenia ciemnej masy w centrum gromady – powiedział Vitral. Im bliżej masy centralnej, tym bardziej losowo poruszają się gwiazdy. A im większa masa centralna, tym większe prędkości gwiazd.
Ponieważ czarne dziury o masie pośredniej w gromadach kulistych były tak nieuchwytne, Vitral ostrzega: Chociaż nie możemy całkowicie potwierdzić, że jest to centralny punkt grawitacji, możemy pokazać, że jest on bardzo mały. Jest zbyt mały, abyśmy mogli wyjaśnić go inaczej niż jako pojedynczą czarną dziurę. Alternatywnie, może istnieć mechanizm gwiazdowy, o którym po prostu nie wiemy, przynajmniej w ramach obecnej fizyki.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
.jpg)
