Hubble określa masę izolowanej czarnej dziury wędrującej po naszej Drodze Mlecznej

(AktualnościAstronomowie szacują, że 100 milionów czarnych dziur wędruje wśród gwiazd naszej Drogi Mlecznej, ale nigdy nie zidentyfikowali samotnej czarnej dziury. Po sześciu latach dokładnych obserwacji, Kosmiczny Teleskop Hubble’a po raz pierwszy w historii dostarczył bezpośrednich dowodów na samotną czarną dziurę dryfującą w przestrzeni międzygwiazdowej poprzez dokładny pomiar masy fantomu. Jak dotąd wszystkie masy czarnych dziur zostały wywnioskowane statystycznie lub poprzez interakcje w układach podwójnych lub w jądrach galaktyk. Czarne dziury o masie gwiazdowej są zwykle znajdowane wraz z towarzyszącymi im gwiazdami, co czyni ją niezwykłą.

Nowo odkryta wędrująca czarna dziura znajduje się około 5000 lat świetlnych od nas, w ramieniu spiralnym Carina-Sagittarius naszej galaktyki. Jednak jego odkrycie pozwala astronomom oszacować, że najbliższa czarna dziura o masie gwiazdowej odizolowana od Ziemi może znajdować się w odległości około 80 lat świetlnych. Najbliższa gwiazda naszego Układu Słonecznego, Proxima Centauri, znajduje się nieco ponad 4 lata świetlne od nas. To jest ilustracja z bliska czarnej dziury dryfującej przez naszą Drogę Mleczną. Czarna dziura to roztrzaskana pozostałość masywnej gwiazdy, która eksplodowała jako supernowa. Pozostały rdzeń ma masę kilkukrotnie większą od masy naszego Słońca. Czarna dziura zatrzymuje światło ze względu na swoje intensywne pole grawitacyjne. Czarna dziura zniekształca otaczającą ją przestrzeń, zniekształcając obrazy gwiazd tła ustawionych niemal bezpośrednio za nią. Oferuje efekt grawitacji „soczewki” To jedyny dowód na istnienie samotnych czarnych dziur wędrujących po naszej galaktyce, której populacja może wynosić nawet 100 milionów. Kosmiczny Teleskop Hubble’a wyszukuje te czarne dziury, szukając zniekształceń w świetle gwiazd, gdy czarne dziury dryfują przed gwiazdami tła. (Zdjęcie: FECYT, IAC)

Czarne dziury, które wędrują po naszej galaktyce, powstają z rzadkich monstrualnych gwiazd (mniej niż jedna na tysiąc populacji galaktyk gwiezdnych), które są co najmniej dwadzieścia razy masywniejsze niż nasze Słońce. Gwiazdy te eksplodują jako supernowe, a pozostałe jądro zostaje zgniecione przez grawitację w czarną dziurę. Ponieważ samodetonacja nie jest dokładnie symetryczna, czarna dziura może się oderwać, przemieszczając się przez naszą galaktykę jak eksplodująca kula armatnia.

Teleskopy nie mogą zobrazować zabłąkanej czarnej dziury, ponieważ nie emitują żadnego światła. Jednak czarna dziura zniekształca przestrzeń, która z kolei odchyla i wzmacnia światło gwiazd z tego, co tymczasowo ustawia się dokładnie za nią.

Teleskopy naziemne, obserwujące jasność milionów gwiazd w bogatych polach gwiazd w kierunku centralnego zgrubienia naszej Drogi Mlecznej, szukają nagłej jasności jednego z nich, gdy między nami a gwiazdą przechodzi masywny obiekt. Następnie Hubble śledzi najciekawsze wydarzenia.

Dwa zespoły wykorzystały dane z Hubble’a w swoich badaniach – jeden kierowany przez Kailasha Sahu z Space Telescope Science Institute w Baltimore w stanie Maryland („Izolowana czarna dziura o masie gwiazdowej wykryta przez precyzyjny obiektyw astronomiczny”); Drugi jest autorstwa Casey Lamm z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley („Odizolowana czarna dziura lub gwiazda neutronowa z luką masową wykryta za pomocą mikrosoczewkowania astronomicznego”). Wyniki obu zespołów nieco się różnią, ale oba wskazują na zwartą sylwetkę.

Krzywizna przestrzeni spowodowana grawitacją obiektu na pierwszym planie przechodzącego przed gwiazdą znajdującą się daleko za nią, chwilowo ugina i wzmacnia światło gwiazdy tła, gdy przechodzi przed nią. Astronomowie wykorzystują to zjawisko, zwane mikrosoczewkowaniem grawitacyjnym, do badania gwiazd i egzoplanet w prawie 30 000 zdarzeń zaobserwowanych do tej pory w naszej galaktyce.

Sygnatura czarnej dziury na pierwszym planie wyróżnia się spośród innych zjawisk mikrosoczewkowania. Intensywna grawitacja czarnej dziury wydłużyłaby czas soczewkowania o ponad 200 dni. Ponadto, gdyby zakłócający obiekt był zamiast tego gwiazdą pierwszego planu, spowodowałoby to przejściową zmianę koloru w zmierzonym świetle gwiazdy, ponieważ światło gwiazd pierwszego planu i tła tymczasowo zmieszałoby się ze sobą. Ale w przypadku czarnej dziury nie zaobserwowano zmiany koloru.

Następnie Hubble’a wykorzystano do zmierzenia, jak bardzo obraz gwiazdy tła jest odchylany przez czarną dziurę. Hubble ma najwyższą dokładność potrzebną do takich pomiarów. Obraz gwiazdy jest przesunięty od swojej normalnej pozycji o około milisekundę. Odpowiada to pomiarowi średnicy 25-centowej monety w Los Angeles widzianej z Nowego Jorku.

Ta precyzyjna technologia soczewek astronomicznych dostarczyła informacji o masie, odległości i prędkości czarnej dziury. Wielkość odchylenia spowodowanego ekstremalną krzywizną przestrzeni czarnej dziury pozwoliła zespołowi Saho oszacować, że waży ona siedem mas Słońca.

Zespół Lamma poinformował o nieco niższym zakresie mas, co oznacza, że ​​obiekt może być gwiazdą neutronową lub czarną dziurą. Oszacowali, że masa niewidzialnego zwartego obiektu wahała się od 1,6 do 4,4 mas Słońca. Na wyższym końcu tego zakresu obiekt byłby czarną dziurą; Na dole będzie to gwiazda neutronowa.

Jessica Lowe z Berkeley powiedziała: „Chociaż chcielibyśmy powiedzieć, że jest to zdecydowanie czarna dziura, musimy zgłaszać wszystkie dozwolone rozwiązania. Obejmuje to zarówno czarne dziury o mniejszej masie, jak i prawdopodobnie nawet gwiazdy neutronowe”.

Lam dodał: „Czymkolwiek jest ten obiekt, jest to pierwsza ciemna pozostałość gwiezdna odkryta, gdy wędruje przez galaktykę bez innej gwiazdy”.

Był to szczególnie trudny pomiar, ponieważ w odległości kątowej od gwiazdy źródłowej znajduje się niespokrewniona jasna gwiazda. Saho powiedział: „To tak, jakby próbować zmierzyć maleńki ruch robaczka świętojańskiego obok jasnej żarówki”. „Musieliśmy precyzyjnie odjąć światło od pobliskiej jasnej gwiazdy, aby dokładnie zmierzyć ugięcie słabego źródła.”

Zespół Saho szacuje, że odosobniona czarna dziura podróżuje przez galaktykę z prędkością 100 000 mil na godzinę lub 160 000 kilometrów na godzinę (wystarczająco szybko, aby podróżować z Ziemi na Księżyc w mniej niż trzy godziny). To szybciej niż większość innych pobliskich gwiazd w tym regionie naszej galaktyki.

Saho powiedział: „Precyzyjna soczewka astronomiczna jest koncepcyjnie prosta, ale niezwykle trudna do obserwacji”. „Mikrosoczewkowanie to jedyna dostępna technologia do identyfikacji izolowanych czarnych dziur.” Kiedy czarna dziura przeszła przed gwiazdą tła znajdującą się 19 000 lat świetlnych od nas w zgrubieniu galaktycznym, światło gwiazdy zbliżające się do Ziemi było wzmacniane przez 270 dni w miarę przechodzenia czarnej dziury. Jednak zajęło kilka lat obserwacji Hubble’a, aby prześledzić, jak położenie gwiazdy tła wydaje się być wypaczone przez zakrzywienie światła przez czarną dziurę na pierwszym planie.

Istnienie czarnych dziur o masach gwiazdowych było znane od wczesnych lat 70. XX wieku, ale wszystkie pomiary ich mas – do tej pory – odbywały się w układach podwójnych gwiazd. Gaz z gwiazdy towarzyszącej wpada do czarnej dziury i jest podgrzewany do tak wysokich temperatur, że emituje promieniowanie rentgenowskie. Masy około dwóch tuzinów czarnych dziur w podwójnych promieniach rentgenowskich zostały zmierzone przez wpływ grawitacji na ich towarzyszy. Szacunki masy wahają się od 5 do 20 mas Słońca. Czarne dziury wykryto w innych galaktykach za pomocą fal grawitacyjnych generowanych przez fuzje czarnych dziur i towarzyszących im obiektów, osiągając wysokość 90 mas Słońca.

Saho powiedział: „Odkrycia izolowanych czarnych dziur dostarczą nowych informacji na temat liczby takich obiektów w naszej Drodze Mlecznej”. Ale to poszukiwanie igłą w stogu siana. Przewiduje się, że tylko jedno na kilkaset przypadków mikrosoczewkowania jest spowodowane przez izolowane czarne dziury.

Nadchodzący rzymski teleskop kosmiczny NASA, Nancy Grace, wykryje kilka tysięcy zdarzeń mikrosoczewkowania, z których wiele ma być czarnymi dziurami, a aberracje będą mierzone z bardzo dużą dokładnością.

W artykule z 1916 roku na temat ogólnej teorii względności Albert Einstein przewidział, że jego teorię można sprawdzić, obserwując grawitację słoneczną równoważącą pozorną pozycję gwiazdy tła. Zostało to przetestowane podczas współpracy prowadzonej przez astronomów Arthura Eddingtona i Franka Dysona podczas zaćmienia Słońca 29 maja 1919 roku. Eddington i jego koledzy zmierzyli tło gwiazdy przesunięte o dwie sekundy kątowe, potwierdzając słuszność teorii Einsteina. Ci naukowcy nie mogli sobie wyobrazić, że ponad sto lat później ta sama technologia – z niewyobrażalną dokładnością do tysiąca razy – zostanie wykorzystana do poszukiwania czarnych dziur w całej galaktyce.