Zdjęcie w tle: Marco Lorenzi
Gwiazdy poruszające się z dużą prędkością w Drodze Mlecznej otrzymywały potężny impuls z Wielkiego Obłoku Magellana, a winowajcą może być centralna czarna dziura.
Wielki Obłok Magellana to galaktyka satelitarna Drogi Mlecznej, oddalona o około 160 000 lat świetlnych. Nowe badania wskazują, że w jej centrum może znajdować się supermasywna czarna dziura.
Wielki Obłok Magellana (LMC) to jeden z najbliższych sąsiadujących galaktyk z Drogą Mleczną. Jest to niewielka, nieregularna galaktyka satelitarna, która krąży wokół naszej galaktyki i jest dobrze widoczna gołym okiem z południowej półkuli. Jako że LMC jest jedną z niewielu galaktyk poza naszą własną, w której teleskopy mogą dostrzec pojedyncze gwiazdy i struktury na małą skalę, astronomowie uwielbiają ją badać, porównując ją z Drogą Mleczną.
Podczas gdy duże galaktyki niemal zawsze posiadają w swoim centrum supermasywne czarne dziury (SMBH), to w przypadku galaktyk karłowatych (takich jak LMC) sytuacja jest bardziej zróżnicowana. Od dawna astronomowie spekulowali, że LMC może skrywać czarną dziurę, jednak dotychczasowe dane nie były jednoznaczne.
Najnowsze analizy danych z kosmicznego teleskopu Gaia, który śledził ruchy i pozycje ponad miliarda gwiazd, wskazują na zaskakującą strukturę w tej galaktyce: w jej centrum może znajdować się czarna dziura o masie około 600 000 razy większej niż masa Słońca. Badania, prowadzone przez Jessego Jiwona Hana z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), zostały przyjęte do publikacji w czasopiśmie The Astrophysical Journal.
Gwiazdy o niezwykłej prędkości
Odkrycie to wynika z analizy badania gwiazd hiperszybkich w Drodze Mlecznej. Są to obiekty poruszające się z wyjątkowo dużymi prędkościami względem okolicznych gwiazd, sięgającymi nawet 1000 km/s. Dotąd sądzono, że takie prędkości osiągają głównie dzięki oddziaływaniu z supermasywną czarną dziurą w centrum Drogi Mlecznej, znaną jako Sagittarius A* (to właśnie badanie tych gwiazd pomogło astronomom zidentyfikować i zrozumieć naturę Sag A).
Jednak Han, analizując dane z Gai, odkrył, że trajektorie niektórych z tych hiperszybkich gwiazd nie prowadzą do centrum Drogi Mlecznej, lecz wskazują na Wielki Obłok Magellana jako miejsce ich pochodzenia.
Istnieje tylko kilka mechanizmów zdolnych do nadania gwiazdom tak ogromnych prędkości – mogą to być wybuchy supernowych, dynamiczne interakcje w gęstych gromadach gwiazd, ale najefektywniejszym „akceleratorem” są bliskie spotkania z czarnymi dziurami.
To, co szczególnie zwróciło uwagę zespołu Hana, to nie tylko prędkości tych gwiazd, lecz także ich zgromadzenie w niewielkim obszarze nieba, nazwanym nadgęstością w Lwie (ang. Leo Overdensity), ponieważ znajduje się ona w granicach konstelacji Lwa. Ta koncentracja gwiazd była kluczową wskazówką co do ich pochodzenia.
„Ponieważ są to gwiazdy młode i masywne”, wyjaśnia Han w rozmowie z Astronomy, „mogły powstać jedynie w dysku lub w centrum LMC – innych opcji nie ma”. Modele wykazują, że gdyby pochodziły z dysku, ich rozmieszczenie byłoby znacznie szersze. „Innymi słowy – tylko wyrzucenie z centrum LMC może prowadzić do tak zwartej nadgęstości jak ta w Lwie”.
Xavier Luri, astrofizyk z Uniwersytetu w Barcelonie i członek zespołu przetwarzającego dane z Gai, który nie brał udziału w badaniu, określił pracę Hana jako „bardzo kompletną i skrupulatną”. Zaznaczył jednak, że „wnioski opierają się na szeregu założeń, które mogą być kwestionowane w przyszłości, ale ogólnie rzecz biorąc, wszystko wskazuje na związek części badanej próbki z centralną czarną dziurą w LMC”.
Hipoteza z przeszłości potwierdzona danymi
Nadgęstość w Lwie była obserwowana przez dłuższy czas. W 2016 roku astronomowie Douglas Boubert i Wyn Evans z Uniwersytetu w Cambridge sugerowali, że może ona wskazywać na istnienie SMBH (supermasywnej czarnej dziury) w LMC. Dopiero jednak precyzyjne dane z Gai umożliwiły prześledzenie trajektorii wystarczającej liczby hiperszybkich gwiazd, by hipoteza ta zyskała solidne podstawy.
„Korzystając z najnowszych danych z Gai, Jesse i jego znakomity zespół współautorów udowodnili (naszą) śmiałą teorię”, mówi Boubert. „Połowa znanych hiperszybkich gwiazd widocznych na półkuli północnej pochodzi z Wielkiego Obłoku Magellana”.
Zaskakujące, ale zgodne z teorią
Astronomowie od dawna wiedzą, że prawie każda duża galaktyka zawiera centralną supermasywną czarną dziurę. Co więcej, masa takiej czarnej dziury wykazuje przewidywalną zależność od całkowitej masy galaktyki – zależność tę nazywa się relacją M-sigma. W przypadku galaktyk karłowatych reguła ta jednak nie zawsze się sprawdza, a LMC dotąd nie był znany z obecności SMBH.
Zespół Hana oszacował, jak masywna musiałaby być czarna dziura, aby wyrzucić gwiazdy z taką prędkością. Wynik, który wyszedł to około 600 000 mas Słońca. Co ciekawe, wartość ta doskonale mieści się w granicach przewidywanych przez relację M-sigma, biorąc pod uwagę to, co wiemy o masie LMC jako całości.
„Więc choć sam sposób odkrycia SMBH był dość zaskakujący, to jej masa jest całkowicie zgodna z oczekiwaniami i powinna była zostać przewidziana”, mówi Han.
Co dalej?
Skoro pojawiły się mocne dowody sugerujące istnienie SMBH w LMC, to kolejnym krokiem będzie jej bezpośrednie potwierdzenie. Jednym ze sposobów jest poszukiwanie sygnałów rentgenowskich lub radiowych, które są emitowane przez materię opadającą na czarną dziurę. Innym podejściem mogą być analizy dynamiki pobliskich gromad gwiazd, poruszające się wokół niewidocznego centralnego skupiska.
Co więcej, zespół Hana pracował na danych jedynie z pierwszych trzech lat misji Gaia. Kolejna, pełniejsza publikacja danych planowana jest na 2026 rok, a całość 10-letniego zestawu danych będzie dostępna pod koniec tej dekady. Pozwoli to astronomom na jeszcze dokładniejsze badania ruchów gwiazd, zarówno w Drodze Mlecznej, jak i w LMC.
Boubert podsumowuje: „Potwierdzając istnienie SMBH w LMC, Jesse i jego zespół rzucają wyzwanie astronomom, aby odnaleźć pozostałą część strumienia hiperszybkich gwiazd pochodzących z Wielkiego Obłoku Magellana. Gdy to nastąpi, populacja gwiazd o ekstremalnych prędkościach może zrewolucjonizować nasze rozumienie dynamiki i historii naszego sąsiada galaktycznego. Znajomość lokalizacji i prędkości gwiazd w obecnych czasach oraz miejsc ich narodzin umożliwia wyjątkowo precyzyjne odtworzenie kosmicznego „tańca” między Drogą Mleczną a Wielkim Obłokiem Magellana na przestrzeni setek milionów lat”.
Korekta – Alex Rymarski
