W Drodze Mlecznej wykryto gwiazdową czarną dziurę o rekordowo dużej masie

Dzięki obserwatorium Gaia, teleskopowi Europejskiego Obserwatorium Południowego i innym instrumentom naziemnym naukowcom udało się wytropić rekordową czarną dziurę w naszej galaktyce. W badaniach udział wzięli polscy astronomowie z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego.

Zdecydowana większość z kilkudziesięciu znanych czarnych dziur pochodzenia gwiazdowego znajduje się w układach podwójnych z gwiazdą. Układy te emitują promieniowanie rentgenowskie, co ma związek z utratą materii przez gwiazdę na skutek wysysania jej przez czarną dziurę. Jeśli jednak czarna dziura nie ma w swoim pobliżu takiej bliskiej gwiazdy, to nie obserwujemy żadnego promieniowania. Trudno wtedy taką uśpioną czarną dziurę znaleźć.

Udało się to jednak naukowcom z zespołu kosmicznego obserwatorium Gaia. Odkryto już trzeci tego rodzaju obiekt (uśpioną czarną dziurę), a do tego rekordowy w skali całej galaktyki.

Co ciekawe, odkrycie było przypadkowe, dokonano go w trakcie sprawdzania poprawności danych do kolejnego katalogu misji Gaia. Ze względu na wagę odkrycia i fakt, że publikacja katalogu planowana jest najwcześniej na 2025 rok, postanowiono o wcześniejszej publikacji wyników analiz przeprowadzonych na podstawie wstępnych danych.

Naukowcy przeanalizowali zachowanie starej jasnej gwiazdy w gwiazdozbiorze Orła, odległej od nas o 1926 lat świetlnych. Na podstawie jej ruchu orbitalnego ustalono, iż znajduje się w układzie podwójnym z uśpioną czarną dziurą o bardzo dużej masie, określonej na 33 razy większą niż masa Słońca. Nazwano ją Gaia BH3.

Taki wynik to rekord wśród gwiazdowych czarnych dziur w Drodze Mlecznej. Poprzednią rekordzistką był czarna dziura w rentgenowskim układzie podwójnym Cygnus X-1, z masą około 20 razy większą niż masa Słońca. Natomiast typowa masa czarnych dziur pochodzenia gwiazdowego to w naszej galaktyce około 10 mas Słońca.

Kierujący badaniami, dr Pasquale Panuzzo, z Obserwatorium Paryskiego (Francja) wskazał, że tego typu odkrycia naukowiec dokonuje się raz w całym swoim życiu.

„Przy masie 30 razy większej niż ta, którą ma Słońce, obserwujemy wyniki typowe dla pomiarów mas bardzo odległych czarnych dziur obserwowanych przez eksperymenty fal grawitacyjnych. Pomiary Gaia stanowią pierwszy niepodważalny dowód na istnienie tak ciężkich czarnych dziur” – tłumaczył w przesłanym komunikacie prof. Łukasz Wyrzykowski z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego, który jest członkiem zespołu Gaia od 2008 roku i należy do Grupy Specjalnej od Czarnych Dziur.

Przed astronomami teraz trudne zadanie: próba wyjaśnienia pochodzenia czarnych dziur tak dużych jak Gaia BH3.

Według głównych teorii, w miarę swojej ewolucji masywne gwiazdy tracą znaczą część swojej materii przez silne wiatry gwiazdowe i wyrzucenie części materii w trakcie eksplozji supernowej. To, co zostanie z jądra gwiazdy kurczy się i staje się czarną dziurą lub gwiazdą neutronową (decyduje tutaj masa). Bardzo trudno wyjaśnić pozostałość tak dużą, aby wyprodukować czarną dziurę o masie aż 33 razy większej niż masa Słońca.

Sama gwiazda krążąca wokół Gaia BH3 również jest ciekawa. Krąży wokół czarnej dziury w odległości 16 razy większej niż dystans Ziemia-Słońce z okresem 11,6 lat. Gwiazda ta jest olbrzymem, powstała w ciągu pierwszych 2 miliardów lat po Wielkim Wybuchu. Wtedy Droga Mleczna dopiero się formowała. Gwiazda zawiera bardzo mało pierwiastków cięższych niż wodór i hel (tzw. metali w terminologii astronomicznej), a ponieważ gwiazdy w układach podwójnych zwykle mają taki sam skład, sugeruje to iż gwiazda, z której narodziła się czarna dziura również była uboga w metale.

„Zaskakujące jest to, że skład chemiczny towarzyszki jest podobny do tego, który znajdujemy w starych, ubogich w metale gwiazdach w Galaktyce” – wyjaśniła dr Milena Ratajczak z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego, członekkonsorcjum Gaia.

Jest to pierwsze potwierdzenie koncepcji, że czarne dziury o dużej masie obserwowane w eksperymentach z falami grawitacyjnymi powstały w wyniku zapadnięcia się pierwotnych masywnych gwiazd ubogich w ciężkie pierwiastki. Takie obiekty mogły ewoluować inaczej niż masywne gwiazdy obecne dzisiaj w Drodze Mlecznej.

Gaia to kosmiczne obserwatorium należące do Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA). Jego głównym zadaniem są pomiary odległości do bardzo wielu gwiazd dla sporządzenia trójwymiarowej mapy Drogi Mlecznej. Przy okazji zebrane dane służą naukowcom do badań w wielu innych zagadnieniach astronomii, czego przykładem jest opisywane odkrycie.

W celu potwierdzenia odkrycia badacze skorzystali z danych z obserwatoriów naziemnych: spektrografu UVES na teleskopie VLT w Chile (Europejskie Obserwatorium Południowe), spektrografu HERMES na Teleskopie Mercatora na La Palmie w Hiszpanii (którym zarządza Uniwersytet Leuven z Belgii, we współpracy z Obserwatorium Uniwersytetu Genewskiego w Szwajcarii), spektrografu SOPHIE w Obserwatorium Haute-Provence we Francji (którym zarządza OSU Institut Pythéas).

PAP