Niedawne MIT i badanie Caltech odkryły a czarna dziura układ potrójny, co stanowi pierwszą obserwację takiej konfiguracji.
W przeciwieństwie do typowych układów podwójnych, układ ten składa się z centralnej czarnej dziury pochłaniającej pobliską gwiazdę oraz drugiej, odległej gwiazdy, krążącej wokół siebie co 70 000 lat. To niezwykłe ustawienie sugeruje, że czarna dziura powstała w wyniku bezpośredniego zapadnięcia się, a nie gwałtownej supernowej, co podważa dominujące teorie na temat pochodzenia czarnych dziur i podkreśla potencjał powstania bardziej nieodkrytych układów potrójnych.
Odkrycie potrójnej czarnej dziury
Wiele odkrytych do tej pory czarnych dziur należy do pary zwanej układem podwójnym. W tych parach czarna dziura krąży blisko innego obiektu, takiego jak gwiazda, gęsta gwiazda neutronowalub nawet inną czarną dziurę. Intensywna grawitacja czarnej dziury wiąże je ze sobą, tworząc ścisły związek orbitalny.
Teraz naukowcy dokonali zaskakującego odkrycia, które poszerza naszą wiedzę na temat czarnych dziur, rodzajów obiektów, z którymi mogą wchodzić w interakcje oraz sposobu, w jaki mogą powstawać.
W nowym badaniu opublikowanym w Natura 24 października fizycy z MIT i Caltech donoszą o pierwszej obserwacji „potrójnej czarnej dziury”. Ten unikalny układ składa się z centralnej czarnej dziury pochłaniającej pobliską małą gwiazdę, która okrąża czarną dziurę co 6,5 dnia – układ podobny do znanych układów podwójnych. Co jednak niezwykłe, wokół czarnej dziury krąży także druga, znacznie odleglejsza gwiazda. Naukowcy szacują, że ten odległy towarzysz okrąża czarną dziurę raz na 70 000 lat.
Fakt, że czarna dziura wydaje się mieć grawitacyjny wpływ na tak odległy obiekt, rodzi pytania o pochodzenie samej czarnej dziury. Uważa się, że czarne dziury powstają w wyniku gwałtownej eksplozji umierającej gwiazdy – procesu znanego jako supernowa, podczas którego gwiazda uwalnia ogromną ilość energii i światła w końcowym wybuchu, zanim zapadnie się w niewidzialną czarną dziurę.
Implikacje delikatnego procesu formacyjnego
Odkrycie zespołu sugeruje jednak, że gdyby nowo zaobserwowana czarna dziura powstała w wyniku typowej supernowej, energia wyzwolona przed zapadnięciem się wyrzuciłaby wszelkie luźno związane obiekty na jej obrzeżach. Zatem druga, zewnętrzna gwiazda nie powinna nadal się kręcić.
Zamiast tego zespół podejrzewa, że czarna dziura powstała w wyniku delikatniejszego procesu „bezpośredniego zapadnięcia się”, podczas którego gwiazda po prostu zapada się w sobie, tworząc czarną dziurę bez ostatniego dramatycznego rozbłysku. Tak delikatne pochodzenie nie zakłóciłoby żadnych luźno powiązanych, odległych obiektów.
Ponieważ nowy potrójny układ zawiera bardzo odległą gwiazdę, sugeruje to, że czarna dziura w tym układzie narodziła się w wyniku łagodniejszego, bezpośredniego zapadnięcia się. I chociaż astronomowie od stuleci obserwowali bardziej gwałtowne supernowe, zespół twierdzi, że nowy układ potrójny może być pierwszym dowodem na istnienie czarnej dziury powstałej w wyniku tego łagodniejszego procesu.
„Uważamy, że większość czarnych dziur powstaje w wyniku gwałtownych eksplozji gwiazd, ale to odkrycie pozwala to podważyć” – mówi autor badania Kevin Burdge, Pappalardo Fellow na Wydziale Fizyki MIT. „Ten system jest niezwykle ekscytujący dla ewolucji czarnych dziur, a także rodzi pytania, czy istnieje więcej trójek”.
Współautorami badania z MIT są Erin Kara, Claude Canizares, Deepto Chakrabarty, Anna Frebel, Sarah Millholland, Saul Rappaport, Rob Simcoe i Andrew Vanderburg, a także Kareem El-Badry z Caltech.
Badanie powstawania i ewolucji czarnych dziur
Odkrycie potrójnej czarnej dziury nastąpiło niemal przez przypadek. Fizycy znaleźli go przeglądając Aladin Lite, repozytorium obserwacji astronomicznych zebranych z teleskopów w kosmosie i na całym świecie. Astronomowie mogą korzystać z narzędzia internetowego do wyszukiwania zdjęć tej samej części nieba wykonanych przez różne teleskopy dostrojone do różnych długości fal energii i światła.
Zespół szukał wewnątrz Droga Mleczna galaktykę w poszukiwaniu oznak nowych czarnych dziur. Z ciekawości Burdge przejrzał zdjęcie V404 Cygni – czarnej dziury znajdującej się około 8000 lat świetlnych od Ziemi, która była jednym z pierwszych obiektów, które w 1992 roku potwierdzono jako czarną dziurę. Od tego czasu V404 Cygni stała się jednym z najlepiej zbadaną czarną dziurę i została udokumentowana w ponad 1300 artykułach naukowych. Jednak żadne z tych badań nie przedstawiło tego, co zaobserwowali Burdge i jego współpracownicy.
Patrząc na obrazy optyczne V404 Cygni, Burdge dostrzegł coś, co wyglądało na dwie plamy światła, zaskakująco blisko siebie. Pierwsza plama została uznana przez innych za czarną dziurę i wewnętrzną, blisko krążącą gwiazdę. Gwiazda jest tak blisko, że zrzuca część swojej materii na czarną dziurę i emituje światło, które widział Burdge. Jednak druga plama światła była czymś, czego naukowcy aż do teraz nie badali dokładnie. Burdge stwierdził, że to drugie światło najprawdopodobniej pochodzi od bardzo odległej gwiazdy.
„Fakt, że możemy zobaczyć dwie oddzielne gwiazdy z tak dużej odległości, oznacza, że gwiazdy muszą być naprawdę bardzo daleko od siebie” – mówi Burdge, który obliczył, że gwiazda zewnętrzna znajduje się 3500 jednostek astronomicznych (AU) od czarnej dziury ( 1 AU to odległość między Ziemią a Słońcem). Innymi słowy, gwiazda zewnętrzna jest oddalona od czarnej dziury 3500 razy bardziej niż Ziemia od Słońca. Jest to również równe 100-krotności odległości pomiędzy Pluton i słońce.
Badanie ruchu tandemowego i początków systemu
Pytanie, które wówczas przyszło mi do głowy, brzmiało, czy gwiazda zewnętrzna jest powiązana z czarną dziurą i jej gwiazdą wewnętrzną. Aby odpowiedzieć na to pytanie, naukowcy spojrzeli na Gaia, satelitę, który od 2014 roku precyzyjnie śledzi ruchy wszystkich gwiazd w galaktyce. Zespół przeanalizował ruchy gwiazd wewnętrznych i zewnętrznych w ciągu ostatnich 10 lat danych Gaia i odkrył, że gwiazdy poruszały się dokładnie w tandemie w porównaniu do innych sąsiadujących gwiazd. Obliczyli, że prawdopodobieństwo wystąpienia tego rodzaju ruchu tandemowego wynosi około jeden na 10 milionów.
„Prawie na pewno nie jest to zbieg okoliczności ani wypadek” – mówi Burdge. „Widzimy dwie gwiazdy, które podążają za sobą, ponieważ są połączone tą słabą struną grawitacyjną. Musi to więc być system potrójny.”
Jak zatem mógł powstać ten system? Gdyby czarna dziura powstała w wyniku typowej supernowej, gwałtowna eksplozja dawno temu wyrzuciłaby gwiazdę zewnętrzną.
„Wyobraźcie sobie, że ciągniecie latawiec i zamiast mocnego sznurka, ciągniecie pajęczą siecią” – mówi Burdge. „Jeśli pociągniesz zbyt mocno, sieć pęknie i stracisz latawiec. Grawitacja jest jak ledwo związana struna, która jest naprawdę słaba i jeśli zrobisz coś dramatycznego z wewnętrznym układem podwójnym, stracisz gwiazdę zewnętrzną.
Wgląd w symulację i określanie wieku systemu
Aby jednak naprawdę przetestować ten pomysł, Burdge przeprowadził symulacje, aby zobaczyć, jak taki potrójny układ mógł wyewoluować i zachować gwiazdę zewnętrzną.
Na początku każdej symulacji wprowadzał trzy gwiazdy (trzecia to czarna dziura, zanim stała się czarną dziurą). Następnie przeprowadził dziesiątki tysięcy symulacji, każda z nieco innym scenariuszem tego, jak trzecia gwiazda mogła stać się czarną dziurą, a następnie wpłynąć na ruchy pozostałych dwóch gwiazd. Na przykład symulował supernową, zmieniając ilość i kierunek wydzielanej przez nią energii. Symulował także scenariusze bezpośredniego zapadnięcia się, w których trzecia gwiazda po prostu zapadła się, tworząc czarną dziurę, nie wydzielając przy tym żadnej energii.
„Zdecydowana większość symulacji pokazuje, że najłatwiejszym sposobem wykonania tej potrójnej pracy jest bezpośrednie zapadnięcie się” – mówi Burdge.
Oprócz dostarczenia wskazówek na temat pochodzenia czarnej dziury, gwiazda zewnętrzna ujawniła także wiek układu. Fizycy zaobserwowali, że gwiazda zewnętrzna jest w trakcie przekształcania się w czerwonego olbrzyma – w fazie, która następuje pod koniec życia gwiazdy. Na podstawie tego przejścia gwiazd zespół ustalił, że gwiazda zewnętrzna ma około 4 miliardy lat. Biorąc pod uwagę, że sąsiednie gwiazdy rodzą się mniej więcej w tym samym czasie, zespół doszedł do wniosku, że potrójna czarna dziura również ma 4 miliardy lat.
„Nigdy wcześniej nie byliśmy w stanie tego zrobić w przypadku starej czarnej dziury” – mówi Burdge. „Teraz wiemy, że V404 Cygni jest częścią trójki, mogła powstać w wyniku bezpośredniego zapadnięcia się, a dzięki temu odkryciu powstała około 4 miliardy lat temu”.
Odniesienie: „Podwójny układ rentgenowski o niskiej masie czarnej dziury V404 Cygni jest częścią szerokiej trójki” autorstwa Kevina B. Burdge’a, Kareema El-Badry’ego, Erin Kary, Claude’a Canizaresa, Deepto Chakrabarty’ego, Anny Frebel, Sarah C. Millholland, Saul Rappaport, Rob Simcoe i Andrew Vanderburg, 23 października 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-08120-6
Prace te były częściowo wspierane przez Narodową Fundację Nauki.
