Zatrzymany w czasie rdzeń galaktyki odkrywa swoją czarną dziurę

Naukowcy potwierdzili masę pośrednią czarna dziura w centrum Omega Centauri, potwierdzając teorie jego pochodzenia jako odrębnego jądra galaktyki połączonego z droga Mleczna.

Nowo zidentyfikowane szybko poruszające się gwiazdy w gromadzie gwiazd Omega Centauri dostarczają solidnych dowodów na istnienie centralnej czarnej dziury w gromadzie. Mając co najmniej 8200 mas Słońca, jest najlepszym kandydatem na klasę czarnych dziur, o istnieniu których astronomowie od dawna myślą: czarnych dziurach o masach pośrednich, powstałych we wczesnych stadiach ewolucji galaktyk. Odkrycie potwierdza tezę, że Omega Centauri jest rdzeniem galaktyki, która została połknięta przez Drogę Mleczną miliardy lat temu. Od tego czasu jądro galaktyki, pozbawione zewnętrznych gwiazd, pozostaje „zamrożone w czasie”. Badanie opublikowano w czasopiśmie Nature.

Odkrywanie serca Omega Centauri

Omega Centauri to spektakularna kolekcja około dziesięciu milionów gwiazd, widoczna jako plama na nocnym niebie z południowych szerokości geograficznych. Przez mały teleskop nie różni się niczym od innych tak zwanych gromad kulistych: kulistego zbioru gwiazd, tak gęstego w kierunku centrum, że rozróżnienie poszczególnych gwiazd staje się niemożliwe.

Jednak teraz nowe badanie, prowadzone pod kierunkiem Maximiliana Häberle (Instytut Astronomii Maxa Plancka), potwierdza to, co astronomowie podejrzewali od jakiegoś czasu: Omega Centauri zawiera centralną czarną dziurę. Czarna dziura wydaje się być „brakującym ogniwem” pomiędzy swoim gwiezdnym i supermasywnym krewnym: utknięta w pośrednim etapie ewolucji jest znacznie mniej masywna niż typowe czarne dziury w centrach galaktyk. Omega Centauri wydaje się być jądrem małej, oddzielnej galaktyki, której ewolucja została przerwana, gdy połknęła ją Droga Mleczna.

Widmo czarnej dziury

W astronomii czarne dziury występują w różnych zakresach mas. Gwiezdne czarne dziury o masach od jednej do kilkudziesięciu mas Słońca są dobrze znane, podobnie jak supermasywne czarne dziury o masach milionów, a nawet miliardów Słońc. Nasz obecny obraz ewolucji galaktyk zakłada, że ​​najwcześniejsze galaktyki powinny posiadać centralne czarne dziury średniej wielkości, które z czasem rosłyby w miarę ewolucji tych galaktyk, pożerając mniejsze galaktyki (tak jak zrobiła to nasza Droga Mleczna) lub łącząc się z większymi galaktykami.

Znalezienie takich średnich czarnych dziur jest niezwykle trudne. Galaktyki takie jak nasza Droga Mleczna już dawno wyrosły z fazy pośredniej i obecnie zawierają znacznie większe centralne czarne dziury. Galaktyki, które pozostały małe („galaktyki karłowate”), są na ogół trudne do obserwacji. Przy obecnie dostępnej technologii obserwacje ich centralnych obszarów, które mogłyby wykryć centralną czarną dziurę, są niezwykle trudne. Chociaż istnieją obiecujący kandydaci, jak dotąd nie udało się jednoznacznie wykryć takiej czarnej dziury o masie pośredniej.

Ten film z zoomem zaczyna się od przeglądu nieba i kończy się obrazem Kosmiczny teleskop Hubble w centrum Omega Centauri. Na koniec pokazane zostały orbity gwiazd wokół czarnej dziury. Źródło: T. Müller (MPIA/HdA), muzyka: K. Jäger (MPIA)

Galaktyka (rdzeń) zamrożona w czasie

To właśnie tutaj Omega Centauri jest wyjątkowa. Gdyby było to kiedyś jądro odrębnej galaktyki, która następnie połączyła się z Drogą Mleczną i straciła w ten sposób wszystkie gwiazdy oprócz centralnej, pozostałe jądro galaktyki i jej centralna czarna dziura zostałyby „zamrożone w czasie”: nie będzie już dalszych połączeń ani możliwości wzrostu centralnej czarnej dziury. Czarna dziura zachowałaby rozmiar, jaki miała, gdy Omega Centauri została pochłonięta przez Drogę Mleczną, dając wgląd w brakujące ogniwo między wczesnymi czarnymi dziurami o małej masie a późniejszymi supermasywnymi czarnymi dziurami.

Aby przetestować tę hipotezę, konieczne jest faktyczne wykrycie centralnej czarnej dziury w Omega Centauri, a jednoznaczne wykrycie do tej pory umykało astronomom. Chociaż istniały dowody pochodzące z wielkoskalowych modeli ruchu gwiazd w gromadzie, pozostawiały one miejsce na wątpliwości: być może w ogóle nie było centralnej czarnej dziury.

Ten film pokazuje schematycznie sposób obserwacji Omega Cen za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Możesz zobaczyć położenie detektora kamery podczas 800 pojedynczych zdjęć. Na koniec pokazuje obraz, który astronomowie stworzyli z naświetleń. Źródło: M. Häberle (MPIA)

Przełom w wykrywaniu czarnych dziur

Kiedy Nadine Neumayer, liderka grupy w Instytucie Astronomii Maxa Plancka, i Anil Seth z Uniwersytetu Utah opracowali projekt badawczy mający na celu lepsze zrozumienie historii powstawania Omega Centauri w 2019 r., zdali sobie sprawę, że jest to okazja do rozstrzygnąć raz na zawsze kwestię centralnej czarnej dziury gromady: gdyby udało im się zidentyfikować oczekiwane szybko poruszające się gwiazdy wokół czarnej dziury w centrum Omega Centauri, byłby to przysłowiowy dymiący pistolet, a także sposób pomiaru masy czarnej dziury.

Żmudne poszukiwania stały się zadaniem Maximiliana Häberle, doktoranta w Instytucie Astronomii Maxa-Plancka. Häberle kierował pracami nad stworzeniem ogromnego katalogu ruchów gwiazd w Omega Centauri, mierząc prędkości 1,4 miliona gwiazd, badając ponad 500 zdjęć gromady z Hubble’a. Większość tych zdjęć została wykonana w celu kalibracji instrumentów Hubble’a, a nie do użytku naukowego. Jednak dzięki ich stale powtarzającym się poglądom na temat Omega Centauri okazali się idealnym zbiorem danych dla wysiłków badawczych zespołu.

Häberle mówi: „Szukanie szybkich gwiazd i dokumentowanie ich ruchu było przysłowiowym szukaniem igły w stogu siana”. Ale ostatecznie Häberle miał nie tylko najpełniejszy jak dotąd katalog ruchu gwiazd w Omega Centauri (opublikowany w osobnym artykule). Znalazł także nie jedną, ale siedem igieł w swoim archiwalnym stogu siana: siedem charakterystycznych, szybko poruszających się gwiazd w małym obszarze w centrum Omega Centauri.

Odkrycie czarnej dziury

Te szybko poruszające się gwiazdy są szybkie dzięki obecności skoncentrowanej pobliskiej masy. W przypadku pojedynczej gwiazdy nie byłoby możliwe określenie, czy jest ona szybka ze względu na dużą masę centralną, czy dlatego, że gwiazda znajduje się bardzo blisko masy centralnej, czy też gwiazda po prostu leci prosto, bez widocznej masy. Jednak siedem takich gwiazd, o różnych prędkościach i kierunkach ruchu, pozwoliło Häberle i jego współpracownikom oddzielić różne efekty i ustalić, że w Omega Centauri istnieje masa centralna o masie co najmniej 8200 słońc. Obrazy nie wskazują żadnego widocznego obiektu w przypuszczalnym położeniu tej masy centralnej, jak można by się spodziewać w przypadku czarnej dziury.

Szersza analiza umożliwiła Häberle’owi nie tylko określenie prędkości jego siedmiu szybkich gwiazd. Zawęziło także lokalizację centralnego obszaru o średnicy trzech miesięcy świetlnych (na zdjęciach trzech sekund łukowych) w Omega Centauri. Ponadto analiza zapewniła pewność statystyczną: pojedyncza, szybka gwiazda na zdjęciu może nawet nie należeć do Omega Centauri. Może to być gwiazda spoza gromady, która przez przypadek przechodzi tuż za lub przed centrum Omega Centauri. Obserwacje siedmiu takich gwiazd nie mogą być natomiast czystym przypadkiem i nie pozostawiają miejsca na wyjaśnienia inne niż czarna dziura.

Nareszcie czarna dziura o masie pośredniej

Neumayer mówi: „Poprzednie badania zrodziły krytyczne pytania: «Więc gdzie są superszybkie gwiazdy?» Mamy teraz odpowiedź na to pytanie i potwierdzenie, że Omega Centauri zawiera czarną dziurę o masie pośredniej. Znajduje się w odległości około 18 000 lat świetlnych i jest to najbliższy znany przykład masywnej czarnej dziury.” Supermasywna czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej znajduje się w odległości około 27 000 lat świetlnych. To odkrycie nie tylko obiecuje rozwiązać trwającą dekadę debatę na temat czarnej dziury o masie pośredniej w Omega Centauri. Stanowi także najlepszego jak dotąd kandydata do wykrycia czarnej dziury o masach pośrednich.

Biorąc pod uwagę swoje odkrycia, Neumayer, Häberle i ich współpracownicy planują teraz jeszcze bardziej szczegółowe zbadanie centrum Omega Centauri. Mają już zgodę na pomiar ruchu szybkiej gwiazdy w kierunku Ziemi lub od niej (prędkość w linii wzroku) za pomocą Kosmiczny Teleskop Jamesa Webbai istnieją przyszłe instrumenty (GRAVITY+ przy ESOVLT, MICADO w Ekstremalnie Wielkim Teleskopie), który mógłby wskazać pozycje gwiazd jeszcze dokładniej niż Hubble. Celem długoterminowym jest określenie, w jaki sposób gwiazdy przyspieszają: jak zakrzywiają się ich orbity. Śledzenie tych gwiazd po całej ich orbicie, jak w przypadku nagrodzonych Nagrodą Nobla obserwacji w pobliżu czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej, to jednak projekt dla przyszłych pokoleń astronomów. Mniejsza masa czarnej dziury w Omega Centauri oznacza dziesięciokrotnie większe skale czasowe niż w przypadku Drogi Mlecznej: okresy orbitalne trwające ponad sto lat.

Informacje ogólne

Opisana tutaj praca została opublikowana jako M. Häberle et al., „Fast-moving stars wokół pośredniej czarnej dziury w ω Centauri” w czasopiśmie Natura. Katalog gwiazd, na którym opiera się praca, został przyjęty do publikacji pod nazwą M. Häberle et al., „oMEGACat II — Photometry and property motions for 1.4 miliona stars in Omega Centauri and his Rotation in the plane of the sky” w czasopiśmie Dziennik astrofizyczny.

Więcej informacji na temat tego odkrycia można znaleźć w artykule Odkryte brakujące ogniwo: Hubble odkrywa ukrytą czarną dziurę w Omega Centauri.

Bibliografia:

„Szybko poruszające się gwiazdy wokół czarnej dziury o masie pośredniej w ω Centauri” autorstwa Maximiliana Häberle, Nadine Neumayer, Anil Seth, Andrea Bellini, Mattia Libralato, Holger Baumgardt, Matthew Whitaker, Antoine Dumont, Mayte Alfaro-Cuello, Jay Anderson, Callie Clontz, Nikolay Kacharov, Sebastian Kamann, Anja Feldmeier-Krause, Antonino Milone, Maria Selina Nitschai, Renuka Pechetti i Glenn van de Ven, 10 lipca 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07511-z

„oMEGACat II — Fotometria i ruchy własne dla 1,4 miliona gwiazd w Omega Centauri i ich rotacja w płaszczyźnie nieba” autorstwa Maximiliana Häberle, Nadine Neumayer, Andrei Bellini, Mattii Libralato, Callie Clontz, Anil C. Setha, Marii Seliny Nitschai, Sebastian Kamann, Mayte Alfaro-Cuello, Jay Anderson, Stefan Dreizler, Anja Feldmeier-Krause, Nikolay Kacharov, Marilyn Latour, Antonino Milone, Renuka Pechetti, Glenn van de Ven, Karina Voggel, Zaakceptowani, Dziennik astrofizyczny.
arXiv:2404.03722

Zaangażowani naukowcy MPIA to Maximilian Häberle, Nadine Neumayer, Antoine Dumont, Callie Clontz (także Uniwersytet w Utah), Anja Feldmeier-Krause (także Uniwersytet w Wiedniu) i Maria Selina Nitschai, we współpracy z Anilem Sethem (Uniwersytet Utah), Andrea Belliniego (Instytut Naukowy Teleskopów Kosmicznych), Mattia Libralato (ESA i INAF Padova), Holger Baumgardt (Uniwersytet w Queensland), Matthew Whitaker (Uniwersytet Utah), Mayte Alfaro Cuello (Universidad Central de Chile), Jay Anderson (Instytut Nauki o Teleskopach Kosmicznych), Nikolay Kacharov ( Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam), Sebastian Kamann (Liverpool John Moores University), Antonino Milone (Uniwersytet w Padwie), Renuka Pechetti (Liverpool John Moores University) i Glenn van de Ven (Uniwersytet w Wiedniu).