Naukowcy potwierdzili obecność czarnej dziury o masie pośredniej w centrum Omega Centauri, co stanowi ważne odkrycie w badaniu czarnych dziur. Czarna dziura, oddalona o około 18 000 lat świetlnych, jest ważnym ogniwem w zrozumieniu ewolucji czarnej dziury, co sugeruje, że Omega Centauri może być jądrem galaktyki karłowatej zniszczonej przez Drogę Mleczną. Źródło: ESA/Hubble, NASA, Maximilian Häberle (MPIA)
Odkrycie jest najlepszym kandydatem na klasę czarnych dziur, o których istnienie od dawna wierzą astronomowie, ale których nigdy nie odkryli – czarne dziury o masie pośredniej, powstałe we wczesnych stadiach ewolucji galaktyk.
Widoczna gołym okiem jako plama na nocnym niebie z południowych szerokości geograficznych, Omega Centauri to wspaniały zbiór 10 milionów gwiazd. Oglądana przez mały teleskop przypomina inne gromady kuliste – gęsto upakowany sferyczny zespół gwiazd, którego jądro jest tak zagęszczone, że poszczególne gwiazdy rozmywają się jedna w drugiej.
Jednakże ostatnie badania przeprowadzone przez zespoły z Uniwersytetu Utah i Instytutu Astronomii Maxa Plancka rozstrzygnęły długotrwałą debatę wśród astronomów, potwierdzając, że Omega Centauri kryje w sobie centralny czarna dziura. Czarna dziura wydaje się być brakującym ogniwem pomiędzy swoim gwiezdnym i supermasywnym krewnym – tkwiąc w pośrednim stadium ewolucji, jest znacznie mniej masywna niż kolosalne czarne dziury, które zwykle znajdują się w centrach galaktyk. Omega Centauri wydaje się być jądrem małej, oddzielnej galaktyki, której ewolucja została przerwana, gdy została połknięta przez Galaktykę droga Mleczna.
Prawdopodobna pozycja pośredniej czarnej dziury gromady gwiazd Omega Centauri. Od lewej do prawej każdy panel przybliża się do systemu. Źródło: ESA/Hubble, NASA, Maximilian Häberle (MPIA)
Przełomowe odkrycie czarnej dziury
„To odkrycie, które zdarza się raz w karierze. Byłem tym podekscytowany przez dziewięć miesięcy z rzędu. Za każdym razem, gdy o tym myślę, ciężko mi spać” – powiedział Anil Seth, profesor nadzwyczajny astronomii na Uniwersytecie Utah i współkierownik badania (PI). „Myślę, że nadzwyczajne twierdzenia wymagają nadzwyczajnych dowodów. To naprawdę niezwykły dowód”.
Wyraźne wykrycie tej czarnej dziury umykało astronomom aż do teraz. Ogólny ruch gwiazd w gromadzie pokazał, że w pobliżu jej środka prawdopodobnie znajdowała się niewidzialna masa, nie było jednak jasne, czy była to czarna dziura o masie pośredniej, czy po prostu zbiór gwiezdnych czarnych dziur. Być może w ogóle nie było centralnej czarnej dziury.
„Poprzednie badania wywołały krytyczne pytania: «Więc gdzie są superszybkie gwiazdy?» Mamy teraz odpowiedź na to pytanie i potwierdzenie, że Omega Centauri zawiera czarną dziurę o masie pośredniej. Jest to najbliższy znany przykład masywnej czarnej dziury znajdującej się w odległości około 18 000 lat świetlnych” – stwierdziła Nadine Neumayer, liderka grupy w Instytucie Maxa Plancka i kierownik badania. Dla porównania supermasywna czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej znajduje się w odległości około 27 000 lat świetlnych.
Artykuł ukazał się w czasopiśmie Natura 10 lipca 2024 r. Zobacz, jak badania ożywają 8 sierpnia 2024 r. o 19:00, kiedy Anil Seth zaprezentuje te jedyne w swoim rodzaju odkrycia w kinie IMAX Clarke Planetarium.
Ten film pokazuje schematycznie, jak Omega Cen zaobserwowano za pomocą Kosmiczny teleskop Hubble. Możesz zobaczyć położenie detektora kamery podczas 800 pojedynczych zdjęć. Na koniec pokazuje obraz, który astronomowie stworzyli z naświetleń. Źródło: M. Häberle (MPIA)
Różne masy czarnych dziur
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 sugeruje, że najwcześniejsze galaktyki powinny posiadać centralne czarne dziury średniej wielkości, które z biegiem czasu rosły, pożerając mniejsze galaktyki lub łącząc się z większymi galaktykami.
Znalezienie takich średnich czarnych dziur jest niezwykle trudne. Chociaż istnieją obiecujący kandydaci, jak dotąd nie udało się jednoznacznie wykryć takiej czarnej dziury o masie pośredniej.
„Istnieją czarne dziury, nieco cięższe od naszego Słońca, przypominające mrówki lub pająki – trudno je dostrzec, ale można je znaleźć wszędzie w całym wszechświecie. Następnie mamy supermasywne czarne dziury, które są jak Godzilla w centrach galaktyk rozrywających wszystko i możemy je łatwo zobaczyć” – powiedział Matthew Whittaker, student studiów licencjackich na Uniwersytecie Utah i współautor badania. „Wtedy te czarne dziury o masach pośrednich są mniej więcej na poziomie Wielkiej Stopy. Dostrzeżenie ich jest jak znalezienie pierwszego dowodu na istnienie Wielkiej Stopy — ludzie wpadną w panikę.
Ten film z zoomem zaczyna się od przeglądu nieba, a kończy zdjęciem Kosmicznego Teleskopu Hubble’a w centrum Omega Centauri. Na koniec pokazane zostały orbity gwiazd wokół czarnej dziury. Źródło: T. Müller (MPIA/HdA), muzyka: K. Jäger (MPIA)
Kluczowe odkrycie dzięki danym archiwalnym
Kiedy Seth i Neumayer opracowali projekt badawczy mający na celu lepsze zrozumienie historii powstawania Omega Centauri w 2019 roku, zdali sobie sprawę, że mogą raz na zawsze rozstrzygnąć kwestię centralnej czarnej dziury gromady. Gdyby odkryli szybko poruszające się gwiazdy wokół jej centrum, dysponowaliby przysłowiowym dymiącym pistoletem, a także sposobem pomiaru masy czarnej dziury.
Żmudne poszukiwania stały się zadaniem Maksymiliana Häberle, doktoranta w Instytucie 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.
„Poszukiwanie szybkich gwiazd i dokumentowanie ich ruchu było przysłowiowym szukaniem igły w stogu siana” – powiedział Häberle. W końcu Häberle nie tylko miał najbardziej kompletny katalog Jeśli chodzi o ruch gwiazd w Omega Centauri, znalazł także siedem igieł w swoim archiwalnym stogu siana – siedem charakterystycznych, szybko poruszających się gwiazd w małym obszarze w centrum Omega Centauri.
Odkrycie czarnej dziury
Siedem gwiazd porusza się szybko ze względu na obecność skoncentrowanej pobliskiej masy. W przypadku pojedynczej gwiazdy nie byłoby możliwe określenie, czy jest szybka, ponieważ masa centralna jest duża, 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 zespołowi oddzielić różne efekty i ustalić je Jest centralna masa w Omega Centauri 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 pozwoliła także zespołowi zawęzić lokalizację centralnego obszaru Omega Centauri do średnicy 3 miesięcy świetlnych (na zdjęciach 3 sekundy łukowe). 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. Z drugiej strony obserwacje siedmiu takich gwiazd nie mogą być czystym przypadkiem i nie pozostawiają miejsca na wyjaśnienia inne niż czarna dziura.
Nareszcie czarna dziura o masie pośredniej
Biorąc pod uwagę swoje odkrycia, zespół planuje teraz jeszcze bardziej szczegółowe zbadanie centrum Omega Centauri. Seth z Uniwersytetu Utah prowadzi projekt, który uzyskał zgodę na wykorzystanie Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba do pomiaru ruchu szybkiej gwiazdy w kierunku Ziemi lub od niej, a istnieją przyszłe instrumenty (GRAVITY+ at 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.
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 zaakceptowany 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
Inni autorzy to badacze z Instytutu Astronomii Maxa Planka, Antoine Dumont, Callie Clontz (także Uniwersytet w Utah), Anja Feldmeier-Krause (także Uniwersytet w Wiedniu) i Maria Selina Nitschai we współpracy z Andreą Bellini (Instytut Naukowy Teleskopów Kosmicznych), Mattia Libralato (ESA i INAF Padwa), Holger Baumgardt (Uniwersytet w Queensland), Mayte Alfaro Cuello (Universidad Central de Chile), Jay Anderson (Instytut Nauki o Teleskopach Kosmicznych), Nikolay Kacharov (Instytut Astrofizyki Leibniza w Poczdamie), 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).
