Europejscy naukowcy z udziałem badaczy Obserwatorium Astronomicznego UW odkryli „śpiącą” czarną dziurę. Dokonali tego, przedzierając się przez ogromne zasoby danych z misji kosmicznej Gaia. Jest to największy z dotychczas poznanych tego typu obiektów, znajdujący się w okolicy Słońca, o masie prawie trzydzieści trzy razy większej od masy naszej gwiazdy. Badana czarna dziura stanowi wyzwanie dla rozumienia ewolucji masywnych gwiazd.
Materia w czarnej dziurze jest tak gęsto upakowana, że nic nie może z niej uciec, nawet światło (stąd nazwa – czarna dziura). Zdecydowana większość z kilkudziesięciu znanych do tej pory czarnych dziur pochodzenia gwiazdowego (powstałych w wyniku zapadnięcia się masywnej gwiazdy pod koniec jej życia) została zidentyfikowana w układach podwójnych składających się z pary czarna dziura – gwiazda, które emitują promieniowanie rentgenowskie. W takich układach emisja promieniowania jest związana z materią, jaką traci gwiazda w trakcie zasysania jej przez czarną dziurę. Gdy czarna dziura nie ma wystarczająco bliskiego towarzysza, aby „ukraść” z niego materię, nie emituje żadnego promieniowania, stąd ekstremalna trudność w ich wykryciu.
16 kwietnia na łamach „Astronomy & Astrophysics Letters” zespół misji kosmicznej Gaia ogłosił odkrycie trzeciego tego typu obiektu, nazywanego uśpioną czarną dziurą. Stało się to przypadkiem – podczas sprawdzania poprawności danych do kolejnego katalogu misji. Dokonała tego Grupa Specjalna od Czarnych Dziur (Black Hole Task Force). Głównym autorem artykułu jest dr Pasquale Panuzzo z Obserwatorium Paryskiego we Francji. W odkrycie zaangażowani byli również naukowcy z Obserwatorium Astronomicznego (OA) UW.
Badacze przyjrzeli się zachowaniu starej jasnej gwiazdy w gwiazdozbiorze Orła, znajdującej się w odległości 1926 lat świetlnych od Ziemi. Analizując szczegółowo ruch gwiazdy na niebie, odkryli niespodziewane zjawisko. Gwiazda wykazywała ruch orbitalny z uśpioną czarną dziurą o wyjątkowo dużej masie, około trzydzieści trzy razy większej niż masa Słońca.
Trajektoria ruchu układu z Gaia BH3 w naszej Galaktyke, ktorej orbita w tej chwili przechodzi przez dysk, ale w skali milionow lat wykracza poza dysk i wędruje przez otaczające go halo Galaktyki. Orbita ta pokrywa się z pozostałością po rozerwanej przez grawitację naszej Galaktyki innej mniejszej i starszej galaktyki. Credits: ESA/Gaia/DPAC License: CC BY-SA 3.0 IGO
Jest to już trzecia uśpiona czarna dziura odkryta przez misję Gaia, dlatego została nazwana „Gaia BH3”. Jej odkrycie ekscytuje środowisko astronomów ze względu na nietypową masę obiektu. Typowa masa znanych w naszej Galaktyce czarnych dziur pochodzenia gwiazdowego jest około dziesięć razy większa niż masa Słońca. Do tej pory rekord masy należał do czarnej dziury w rentgenowskim układzie podwójnym w konstelacji Łabędzia (Cyg X-1). Szacuje się ją na około 20-krotność masy Słońca.
– Gaia BH3 to prawdziwy jednorożec. Takiego odkrycia dokonuje się raz w życiu. Do tej pory tak duże czarne dziury były wykrywane jedynie w odległych galaktykach dzięki obserwacjom fal grawitacyjnych – zaznacza dr Panuzzo.
Jakość danych z misji Gaia umożliwiła naukowcom ustalenie masy czarnej dziury dokładniej niż kiedykolwiek wcześniej.
– Przy masie trzydzieści 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 – opowiada prof. Łukasz Wyrzykowski z OA UW, który jest członkiem zespołu Gaia od 2008 roku i należy do Grupy Specjalnej od Czarnych Dziur.
Astronomowie stoją teraz przed trudnym wyzwaniem, aby wyjaśnić pochodzenie czarnych dziur tak dużych jak Gaia BH3. Większość teorii przewiduje, że w miarę starzenia się masywne gwiazdy pozbywają się znacznej części swojej materii poprzez potężne wiatry; ostatecznie są one częściowo wyrzucane w przestrzeń kosmiczną, gdy gwiazda eksploduje jako supernowa. To, co pozostaje z ich jądra kurczy się dalej, aby stać się gwiazdą neutronową lub czarną dziurą, w zależności od masy. Pozostałości wystarczająco duże, by skończyć jako czarne dziury o masie trzydzieści razy większej niż masa naszego Słońca są bardzo trudne do wyjaśnienia. Gaia BH3 może pomóc w rozwiązaniu tej zagadki.
Rysunek przedstawia mapę nieba oraz płaszczyznę Drogi Mlecznej z nałożonymi lokalizacjami trzech czarnych dziur (kolejno: GaiaBH1, GaiaBH2, GaiaBH3) znalezione dzięki misji kosmicznej Gaia. Gaia BH1 odkryta w 2022 roku jest ciągle najbliższą czarną dziurą od Ziemi (około 1500 lat świetlnych). Gaia BH2, znaleziona w 2023 roku, znajduje się około 3800 lat świetnych od nas. Najnowsze odkrycie, Gaia BH3 znajduje się pomiędzy BH1 a BH2, w odległości około 2000 lat świetlnych. Credits: ESA/Gaia/DPAC License: CC BY-SA 3.0 IGO
Intrygujący towarzysz
Gwiazda krążąca wokół Gaia BH3 w odległości około szesnastu razy większej niż odległość Słońce-Ziemia jest również nietypowa: to stara gwiazda-olbrzym, która uformowała się w ciągu pierwszych 2 mld lat po Wielkim Wybuchu – w czasie, gdy nasza Galaktyka zaczynała się formować. Należy ona do rodziny gwiazd halo galaktycznego i porusza się w kierunku przeciwnym do gwiazd dysku galaktycznego. Jej trajektoria wskazuje, że gwiazda ta była prawdopodobnie częścią małej galaktyki lub gromady kulistej, pochłoniętej przez naszą Galaktykę ponad 8 mld lat temu.
Co więcej, gwiazda towarzysząca czarnej dziurze zawiera bardzo niewiele pierwiastków cięższych niż te najlżejsze, wodór i hel, co wskazuje, że czarna dziura mogła być również masywną gwiazdą bardzo ubogą w ciężkie pierwiastki.
– Zaskakujące jest to, że skład chemiczny towarzyszki jest podobny do tego, który znajdujemy w starych, ubogich w metale gwiazdach w Galaktyce – wyjaśnia dr Milena Ratajczak z OA UW, członkini konsorcjum Gaia.
Po raz pierwszy potwierdza to koncepcję, że czarne dziury o dużej masie obserwowane w eksperymentach z falami grawitacyjnymi powstały w wyniku zapadnięcia się pierwotnych masywnych gwiazd ubogich w ciężkie pierwiastki. Te wczesne gwiazdy mogły ewoluować inaczej niż duże gwiazdy, które obecnie obserwujemy w naszej galaktyce.
Porównanie rozmiarów orbit trzech układów znalezionych przez Gaię zawierających czarną dziurę (czerwona orbita, czarna kropka) i gwiazdę (niebieska orbita, żółta kropka). Gdyby umieścić Gaia BH3 w miejscu naszego Słońca, to orbita jej towarzyszki sięgałaby orbity Neptuna, Credits: ESA/Gaia/DPAC License: CC BY-SA 3.0 IGO
Co dalej?
To, jak ewoluują masywne gwiazdy i jak powstają czarne dziury nadal jest nie w pełni rozwiązaną zagadką. Odkrycie systemu Gaia BH3 może stanowić pretekst do dalszych badań, które pozwoliłyby na lepsze zrozumienie tych skomplikowanych zjawisk. To także przedsmak tego, co będzie można zobaczyć w kompletnym zestawie danych misji Gaia, którego publikacja jest zaplanowana na 2026 rok.