33 razy masywniejsza od naszego Słońca. Znajduje się blisko Ziemi

Promieniowanie, które pozwala nam zauważyć czarną dziurę to zwykle promieniowanie rentgenowskie, które powstaje w trakcie procesu opadania materii z gwiazdy sąsiadki na dysk akrecyjny. Ten dysk otacza czarną dziurę i choć nie zauważymy jej bezpośrednio, to zachodzące w nim zjawiska manifestują jej obecność. Może to mieć miejsce w przypadku supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk, ale bardziej powszechne są pary (gwiazda i czarna dziura o masie gwiazdowej - podobnej do masy gwiazdy przodka) nazywane podwójnymi układami rentgenowskimi.

Czarne dziury o masach gwiazdowych to obiekty, których przodkami są gwiazdy. Nie należy ich mylić z supermasywnymi czarnymi dziurami, które znajdują się w centrach galaktyk

Problem tkwi w tym, że nie wszystkie czarne dziury o masach gwiazdowych mają bliskich sąsiadów o charakterze gwiazdy. Nawet jeśli występują w układach podwójnych, to mogą to być układy na tyle szerokie, że nie dochodzi w nich do przepływu materii pomiędzy składnikami. Nazywa się je uśpionymi czarnymi dziurami.

Nie powstają więc strumienie promieniowania rentgenowskiego, które mogą wykryć wyspecjalizowane teleskopy na orbicie Ziemi. Taka czarna dziura kryje się w czeluściach kosmosu, można ją potraktować jako izolowany obiekt, ale nie jesteśmy bez szans na jej odkrycie. Pomocą jest zarówno natura jak i technologia.

Jak odkryć uśpioną czarną dziurę?

W przypadku obiektów pozagalaktycznych wykorzystywane są obserwacje fal grawitacyjnych, które powstają w układach zawierających czarne dziury, gdy te opadają na siebie. Oznacza to też, że takie czarne dziury muszą być dość masywne, o masie rzędu kilkunastu do kilkudziesięciu mas Słońca, by dało się je w ten sposób zauważyć.

Miliony gwiazd w otoczeniu najmasywniejszej czarnej dziury w Drodze Mlecznej, która znajduje się w pobliżu Ziemi (fot: ESO/DSS2 / D. De Martin)

W przypadku Drogi Mlecznej pomocne są inne metody. Mogą to być obserwacje mikrosoczewkowania (wzmocnienia światła od odległych gwiazd przez interesujący nas obiekt), które wywołuje masa czarnej dziury, ale w ten sposób odkryjemy raczej odleglejsze układy.

Druga technika, która daje nadzieje na wykrycie bliższych nam czarnych dziur, wykorzystuje bazy danych z pozycjami gwiazd stworzone na potrzeby masowych przeglądów nieba. W jaki sposób? Okazuje się, że czarna dziura, nawet jeśli jest uśpiona może mieć odległego towarzysza, który obiega tę czarną dziurę. Masa czarnej dziury zaburza pozycję gwiazdy względem obserwatora w stosunku do spodziewanego jej ruchu własnego wynikającego z obiegu centrum Galaktyki. To bardzo niewielkie zmiany, ale dziś jesteśmy je w stanie wykryć dzięki katalogowi gwiazd Gaia. W podobny sposób wykrywane są także planety pozasłoneczne (jedna z technik detekcji).

Teleskop kosmiczny Gaia od 2013 roku obserwuje miliardy gwiazd w Drodze Mlecznej i ich ruch na przestrzeni lat. Ma pracować co najmniej do 2025 roku.

Obecnie tworzona jest czwarta wersja katalogu Gaia, czyli DR4 (Data Release 4) - każda kolejna wersja zawiera poprawione pomiary, uzupełnione o najnowsze dane. Jeszcze nie została opublikowana, ale opracowujący ją astronomowie musieli pochwalić się odkryciem, które być może będzie tylko jednym z wielu na podstawie katalogu Gaia DR4.

To odkrycie to najmasywniejsza czarna dziura, której przodkiem jest gwiazda, w Drodze Mlecznej. Jej masa wynosi około 33 mas Słońca.

Obejrzyj w

Uśpiony gigant w pobliżu Ziemi

Ponieważ mówimy tu o odległościach w skali kosmicznej, „pobliże Ziemi” należy odpowiednio interpretować. W przypadku nowo odkrytej czarnej dziury to odległość 1926 lat świetlnych od nas. Czarna dziura oznaczona mianem Gaia BH3 to trzeci tego typu obiekt wykryty w danych Gaia, ale też najmasywniejszy. Znacznie większy niż przeciętna czarna dziura w Drodze Mlecznej, która zwykle ma około 10 mas Słońca. Odkrywcy podkreślają, że czarne dziury o masie zbliżonej do 33 mas Słońca dotychczas odkrywano jedynie w innych galaktykach.

Najmasywniejsza czarna dziura w Drodze Mlecznej jaką dotychczas znaliśmy znajduje się w układzie Cyg X-1 w konstelacji Łabędzia i jest około 20 razy masywniejsza niż Słońce. Gaia BH3 odkryta została z kolei w pobliskim gwiazdozbiorze Orła, który wraz z Łabędziem możemy wygodnie obserwować latem.

Najmasywniejsze czarne dziury o masie gwiazdowej w Drodze Mlecznej. (fot: ESO)

Gaia BH3 jest teraz najmasywniejszą czarną dziurą w swojej klasie w Drodze Mlecznej i prawie najbliższą, bo bliższa jest tylko Gaia BH1, pierwsza z trzech izolowanych czarnych dziur odkrytych w danych Gaia. Znajduje się w odległości 1560 lat świetlnych i reprezentuje tą najpowszechniejszą grupę, czyli obiekty o masie zbliżonej do 10 mas Słońca. Gaia BH3 jest niespełna 400 lat świetlnych dalej.

Berry Holl z Uniwersytetu w Genewie, członek zespołu Gaia, zakłada, że należy spodziewać dalszych odkryć, być może jeszcze masywniejszych uśpionych czarnych dziur. Ale pozostaje pytanie - jak czarna dziura o masie 33 mas Słońca mogła powstać?

Masywna czarna dziura musi mieć masywnego przodka

Łatwo powiedzieć, trudniej uzasadnić, bo nawet najmasywniejsze gwiazdy w ostatnich fazach ewolucji przed wybuchem supernowej zrzucają z siebie większość masy. By pozostałe jądro gwiazdy, które zapadnie się do czarnej dziury miało odpowiednio dużą masę, gwiazda powinna należeć do populacji, w której bardzo masywne obiekty są powszechne. Obecnie powstawanie tak dużych czarnych dziur z kolapsu gwiazd nie ma raczej miejsca.

Astronomowie za wskazówkę uznają własności towarzyszki Gaia BH3, gwiazdy, której pozycja jest zakłócana przez czarną dziurę, co doprowadziło do odkrycia. Oba obiekty znajdują się w odległości 16 jednostek astronomicznych (Uran znajduje się w odległości 19 jednostek astronomicznych od Słońca).

Ta gwiazda należy do grupy obiektów ubogich w ciężkie pierwiastki (cięższe niż wodór i hel), czyli populacji gwiazd, które powstały we wczesnych etapach istnienia Wszechświata. Uformowała się prawdopodobnie 2 miliardy lat po Wielkim Wybuchu i należała wcześniej do gromady kulistej lub galaktyki satelitarnej Drogi Mlecznej, która około 8 miliardów lat temu została wchłonięta. Utworzyła parę z czarną dziurą już po jej powstaniu.

I teraz najważniejsze. Skoro towarzysząca gwiazda jest tak stara, to przodek czarnej dziury Gaia BH3 także mógł powstać w czasach, gdy formujące się gwiazdy miały mało ciężkich pierwiastków. A takie gwiazdy mogły osiągać nie tylko znacznie większe masy niż dzisiejsze olbrzymy, ale też ewoluować do czarnych dziur w nieco inny sposób.

Źródło: ESO, ESA, inf. własna