Masywna gromada kulista – Omega Centauri – od dekad zadziwia naukowców. Powinna być pełna czarnych dziur pozostawionych po eksplodujących gwiazdach, jednak dowody na ich istnienie były nieliczne. Niedawno, używając archiwalnych danych pobranych dzięki Kosmicznemu Teleskopowi Hubble’a i posiłkując się obserwacjami teleskopu Jamesa Webba, astronomowie w końcu odkryli pierwszą czarną dziurę o masie zbliżonej do masy gwiazdy w tej gromadzie. Odkrycie pierwszej z zaginionych czarnych dziur z pewnością pomoże udoskonalić teorie dotyczące ich powstawania w obiektach podobnych do Omega Centauri. Informacje o nowych znaleziskach opublikowane zostały w The Astrophysical Journal Letters.
Omega Centauri jest złożona z 10 milionów powiązanych ze sobą grawitacyjnie gwiazd. Dzięki poprzednim badaniom teleskopu Hubble’a udowodniono, że w centrum kryje się czarna dziura średniej masy. Modele sugerują również, że gromada ta powinna zawierać 10 tys. mniejszych czarnych dziur o masie podobnej do gwiazdowej. Ta zauważalna populacja czarnych dziur nie została wykryta w poprzednich obserwacjach opartych na wykorzystaniu prędkości radialnej, fal radiowych, czy promieniowania rentgenowskiego emitowanego przez obiekty wpadające do czarnej dziury.
Teraz obrano inną taktykę, wyróżniającą się użyciem astrometrii, dzięki której mierzy się bardzo małe ruchy gwiazd w czasie. Dzięki przejrzeniu zbieranych przez ponad 20 lat materiałów archiwalnych Hubble’a i uwzględnieniu najnowszych danych zebranych przez teleskop Webba, w celu zaktualizowania i poprawienia pomiarów, naukowcy odkryli, że gwiazdy orbitują wokół niewidocznego ciała tak ciężkiego, że musi to być czarna dziura. Obiekt nazwany oMEGACat BH-2 jest pierwszą czarną dziurą o masie podobnej do masy Słońca znalezioną w gromadzie kulistej Omega Centauri. Ma ona też pewne zaskakujące cechy – oMEGACat BH-2 ma mniejszą masę niż się spodziewano – a gwiazda, która jej towarzyszy, ma najdłuższy okres orbitalny spośród wszystkich znanych nam dotychczas układów podwójnych z czarnymi dziurami.
„Dzięki danym z teleskopów Hubble’a i Webba byliśmy w stanie zobaczyć ruch gwiazdy ciągu głównego, należącej do układu podwójnego, który znajduję się w gęstym środowisku Omega Centauri, oddalonej o 18 tysięcy lat świetlnych”- powiedział Mattew Whitmaker z Uniwersytetu Utah w Salt Lake City, redaktor naczelny gazety – „Precyzja tych pomiarów jest niesamowita, dokładność wynosi do ułamków piksela w detektorach Hubble’a oraz Webba. Bez tych dwóch teleskopów odnalezienie zaginionych czarnych dziur byłoby praktycznie niemożliwe.”
Astronomowie odkryli pierwszą czarną dziurę o masie gwiazdowej należącą do gromady Omega Centauri. Towarzysząca jej gwiazda ukazana jest bardziej szczegółowo. Do dokonania tego odkrycia wykorzystali dane zgromadzone przez ponad 20 lat dzięki Kosmicznemu Teleskopowi Hubble’a oraz najnowszym pomiarom z Teleskopu Jamesa Webba.
Te odkrycia naukowe pomogły poprawić wyniki poprzednich badań innych zespołów naukowych, które sugerowały, że układ podwójny zawiera gwiazdę neutronową. Naukowcy z Uniwersytetu Utah byli w stanie lepiej określić masę ciemnego kompana widzialnych gwiazd, wykluczając teorię o gwieździe neutronowej. Dokonali tego poprzez rozszerzenie danych Hubble’a o dane z wcześniejszych obserwacji, pomiary astrometryczne wykonywane w latach 2002-2023 i zarejestrowane w podczerwieni, w celu zwiększenia precyzji, dane pobrane z teleskopu Webba.
„Wiedzieliśmy już, że gwiazda ma masę równą 0,78 masy Słońca, jednak teraz możemy obliczyć również masę czarnej dziury, która wynosi 4,46 mas słońca. W związku z tym jest ona za ciężka, by być gwiazdą neutronową. Niemniej jednak masa jest zbyt niska w porównaniu do tej, jakiej można by się spodziewać w obszarach z małą ilością metali takich, jak Omega Centauri. To zaskakujące i jednocześnie ekscytujące” – powiedział Anil Seth z Uniwersytetu Utah, współtwórca badania – „Teraz wiemy, że gwiazdy ubogie w metale mogą formować czarne dziury takie, jak ta i chcemy dowiedzieć się, jak to przebiega. To odkrycie dostarcza dane dla specjalistów, którzy tworzą modele takich zjawisk”.
Długo czekaliśmy
Opierając się na precyzyjnych pomiarach z teleskopu Hubble’a i Webba, naukowcy mogli odtworzyć drogę gwiazd ponad 20 lat wstecz, w tym podczas maksymalnego zbliżenia do czarnej dziury, kiedy poruszała się najszybciej. Z rozległych danych, badacze określili, że gwiazda okrąża oMEGACat BH-2 raz na 94 lata, co czyni ją gwiazdą o najdłuższym okresie obiegu w układzie podwójnym z czarną dziurą znanym ludzkości.
Wspomniany długi okres orbitalny daje nam również wskazówkę dotyczącą początków tego układu podwójnego. Prawdopodobnie powstał poprzez dynamiczne zdeformowanie, czyli gwiazda i czarna dziura nie były początkowo ze sobą związane, lecz natrafiły na siebie w pewnym momencie w obrębie tej gromady kulistej. Naukowcy obliczyli, że taki, jak oMEGACat BH-2 układ nie przetrwa następnego miliarda lat. Jest to krócej niż jego aktualny wiek, który wynosi około 12 miliardów lat. Zostanie on rozdarty przez spotkania z bliskimi gwiazdami.
„To ważne, żeby zrozumieć czarne dziury w gromadach kulistych, ponieważ nadal mamy wątpliwości co do ich fizyki i formowania się.”- powiedział Seth – „Uściślając, zrozumienie procesów powstawania czarnych dziur i późniejszego, dynamicznego formowania się układów podwójnych jest kluczowe. Wpływa ono na naszą interpretację i zrozumienie fal grawitacyjnych. Uważamy, że środowiska takie, jak Omega Centauri są głównymi miejscami, w których układy podwójne łączą się, tworząc te fale.”
Odkrycie czarnej dziury o masie gwiazdy – oMEGACat BH-2 – to dopiero początek serii odkryć nieuchwytnych, jak dotąd, czarnych dziur należących do gromad kulistych.
„Zaopatrzeni w teleskopy Hubble’a i Webba, możemy kontynuować obserwacje Omega Centauri i poszerzać nasze badania o podobne układy w innych gromadach kulistych.” – powiedział Whitaker -„Z zapartym tchem wyczekujemy startu teleskopu Nancy Grace Roman, który uchwyci centralne zgrubienie galaktyczne wraz z centrum naszej Galaktyki z rozdzielczością zbliżoną do Hubble’a i jednocześnie przy znacznie szerszym polu widzenia. Mamy nadzieję, że dzięki regularnym obserwacjom teleskopu Roman będziemy w stanie znaleźć więcej układów podwójnych z czarnymi dziurami.”
Autorką artykułu jest Alicja Podkowa
Korekta – Amelia Staszczyk
