Odkrycie swobodnej czarnej dziury ogłosili naukowcy z dwóch międzynarodowych zespołów badawczych, które współtworzą zaangażowani w projekt OGLE astronomowie z Obserwatorium Astronomicznego UW. Jest to pierwsza zakończona powodzeniem detekcja tych egzotycznych obiektów.

Istnienie czarnych dziur – obiektów o sile grawitacji tak wielkiej, że żaden sygnał, nawet światło, nie może się z nich wydostać – zostało przewidziane jeszcze w XVIII wieku. Przez długie lata obiekty tego typu pozostawały tworami czysto teoretycznymi, gdyż brak emitowanych sygnałów uniemożliwiał ich detekcję.

W szczególnych sytuacjach obecność czarnych dziur może być jednak zauważona. Kiedy obiekt otoczony jest przez materię, która na skutek ogromnej grawitacji czarnej dziury krąży wokół niej, rozgrzewa się ona do bardzo wysokich temperatur i stopniowo wpada w czeluści czarnej dziury. Promieniowanie przez nią emitowane może być zarejestrowane przez współczesne przyrządy astronomiczne. W ten sposób udało się odkryć pierwszą czarną dziurę, znajdującą się w układzie podwójnym – Cygnus X-1.

Czarne dziury w układzie podwójnym

W ostatnich latach, dzięki zastosowaniu fal grawitacyjnych, udało się odkryć kolejne przypadki istnienia czarnych dziur. Czarne dziury, które krążą wokół siebie w układzie podwójnym, mogą się połączyć. Do tej pory odkryto około stu takich przypadków. Są to obiekty o masach kilkudziesięciu mas Słońca.

We Wszechświecie mogą też istnieć niesłychanie masywne czarne dziury – o masach milionów do miliardów mas Słońca. Przypuszcza się, że tego typu obiekty znajdują się w centrach galaktyk, kwazarów. Za potwierdzenie, że w centrum naszej Galaktyki znajduje się taka olbrzymia czarna dziura, przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2020 roku.

Teoria ewolucji gwiazd przewiduje, że w trakcie końcowych etapów życia bardzo masywnych gwiazd – np. wybuchach gwiazd supernowych – powinny tworzyć się czarne dziury o masach od kilku do kilkunastu mas Słońca. Tego typu obiekty krążą następnie samotnie w Drodze Mlecznej, ukrywając się przed zaobserwowaniem, gdyż nie emitują sygnałów.

Jak odkryć samotną nieświecącą czarną dziurę?

Nieświecące ciała mogą być wykryte za pomocą techniki mikrosoczewkowania grawitacyjnego, które jest efektem wynikającym z ogólnej teorii względności. Bieg promieni światła w pobliżu masywnych obiektów może ulec zakrzywieniu. Ich grawitacja działa jak gigantyczna soczewka, która skupia i wzmacnia światło od odległych gwiazd. Jeżeli między obserwatorem na Ziemi a odległą gwiazdą-źródłem znajdzie się obiekt o pewnej masie, to jego grawitacja może ugiąć i skupić światło źródła. Obserwator zobaczy wtedy charakterystyczne, zmieniające się w czasie pojaśnienie odległego źródła, tzn. zjawisko mikrosoczewkowania.

W przypadku masywnych soczewek możemy zaobserwować za pomocą niesłychanie precyzyjnych instrumentów astrometrycznych dodatkowy efekt – tzw. mikrosoczewkowanie astrometryczne. Jednoczesne obserwacje mikrosoczewkowania – fotometryczne i astrometryczne – umożliwiają wyznaczenie masy obiektu soczewkującego i w ten sposób określenie jego typu.

Odkrycie pojaśnienia

Zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego OGLE-2011-BLG-0462 zostało odkryte 2 czerwca 2011 roku przez astronomów z prowadzonego w Obserwatorium Astronomicznym UW wielkoskalowego przeglądu nieba OGLE, kierowanego przez prof. Andrzeja Udalskiego. Obiekt został także zarejestrowany przez nowozelandzko-japoński projekt MOA.

– W momencie odkrycia pojaśnienia, niewątpliwie wywołanego mikrosoczewkowaniem, oczywiście nie sądziliśmy, że obiekt ten okaże się tak interesującym i przełomowym dla astrofizyki. A stał się kolejną perełką wśród 22 tys.  odkrytych przez nas zjawisk mikrosoczewkowania – wspomina prof. Andrzej Udalski.

Zjawisko mikrosoczewkowania OGLE-2011-BLG-0462 było regularnie obserwowane przez zespół projektu OGLE przez dziewięć kolejnych lat. Zebrano 15 545 niezwykle precyzyjnych pomiarów jasności obiektu, które stały się podstawą modelowania fotometrycznego efektu zjawiska.

Pomiary astrometryczne

W drugiej połowie 2011 roku zespół astronomów pod kierunkiem prof. Kailasha Sahu ze Space Telescope Science Institute rozpoczął za pomocą teleskopu kosmicznego Hubble’a pomiary astrometryczne zjawiska. W następnych latach skompletowano kilkanaście takich obserwacji, uzupełnionych w 2021 roku przez dodatkowe dane zebrane przez niezależny zespół kierowany przez doktorantkę Casey Lam i prof. Jessicę Lu z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Analiza zebranych danych fotometrycznych i astrometrycznych prowadzona była niezależnie przez oba te zespoły.

– Wyniki modelowania jednoznacznie wskazują, że zjawisko OGLE-2011-BLG-0462 wywołane zostało przez masywny obiekt o masie kilku mas Słońca. Ponieważ światło zwyczajnej gwiazdy o takiej masie byłoby z łatwością zarejestrowane, soczewka musi być obiektem nieświecącym – swobodną czarną dziurą o masie gwiazdowej – wyjaśnia dr Przemysław Mróz, członek zespołu OGLE, który uczestniczył w modelowaniu zjawiska.

Masa odkrytej czarnej dziury to około 7 mas Słońca według analizy przeprowadzonej przez zespół prof. Kailasha Sahu lub 4,2masy Słońca według obliczeń wykonanych przez zespół  Casey Lam, doktorantki z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley.

Czarna dziura, zakrzywiając światło gwiazdy tła, zmienia nieznacznie jej położenie na niebie. Czerwona linia pokazuje ruch gwiazdy tła, gdy jest ona soczewkowana przez czarną dziurę, podczas gdy linia szara pokazuje ruch gwiazdy tła, gdyby nie była soczewkowana. Różnica położeń nazywana jest przesunięciem astrometrycznym. Zaznaczone są również obserwacje z Teleskopu Hubble’a. Źródło: UC Berkeley/Moving Universe Lab/Natasha Abrams.

Przełom w badaniach

Jak podkreślają astronomowie, odkrycie pierwszej swobodnej czarnej dziury w Drodze Mlecznej stanowi ogromny przełom w badaniu tych unikalnych obiektów. Potwierdza przypuszczenia o ich dużej liczbie i otwiera nowy kanał detekcji czarnych dziur za pomocą metody mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Przyszłe obserwacje, m. in. dzięki danym astrometrycznym zebranym przez europejską misję kosmiczną Gaia, powinny umożliwić detekcję większej liczby samotnych czarnych dziur, co pozwoli dokładniej oszacować populację czarnych dziur w Galaktyce oraz wyznaczyć rozkład ich mas.

Detekcja czarnej dziury w zjawisku OGLE-2011-BLG-0462 kończy etap podstawowych, pionierskich zadań astrofizycznych stawianych mikrosoczewkowaniu grawitacyjnemu.

– Tą metodą udało się dotychczas oszacować zawartość tzw. ciemnej materii w Galaktyce, odkryć pozasłoneczne układy planetarne oraz planety swobodne. Odkrycie swobodnej czarnej dziury to długo oczekiwane zakończenie kolejnego podstawowego zakresu badań mikrosoczewkowych – mikrosoczewkowania przez obiekty bardzo masywne – wyjaśnia prof. Andrzej Udalski.