Astronomowie odkryli, za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, jeden z najlepszych, jak twierdzą, dowodów na obecność rzadkiego rodzaju czarnej dziury średnich rozmiarów, która ukryta była w centrum najbliższej Ziemi gromady kulistej, oddalonej o 6 tys. lat świetlnych.
Zupełnie tak samo jak dziury w drodze, czarne dziury mogą być małe bądź olbrzymie. Szacuje się, że nasza galaktyka wypełniona jest stoma milionami małych czarnych dziur (co odpowiada kilku masom Słońca) powstałych z dawnych gwiazd. Wszechświat z grubsza zalany jest supermasywnymi czarnymi dziurami, ważącymi miliony bądź miliardy mas Słońca, które zlokalizowane są w jądrach galaktyk.
Długo poszukiwany brakujący środek tego przedziału to właśnie średniej masy czarna dziura, ważąca między 100 a 100 tys. mas Słońca. W jaki sposób powstała? Dlaczego jest stabilna? I czemu jest tak niespotykana?
Astronomowie zidentyfikowali inne potencjalne średniej masy czarne dziury, korzystając z różnych sposobów. Dwóch najlepszych kandydatów to: 3XMM J215022.4−055108, którego Hubble pomógł odkryć w 2020 r., oraz znaleziony w 2009 roku HLX-1. Oboje znajdującą się w gęstych gromadach gwiazd na peryferiach innych galaktyk. Każda z tych proponowanych czarnych dziur ma masę dziesiątek tysięcy Słońc i mogła niegdyś stanowić jądro galaktyk karłowatych. Teleskop kosmiczny Chandra również pomógł w poszukiwaniach średnich czarnych dziur, między innymi w 2018 roku.
Spoglądając o wiele bliżej domu, kilka średniej masy czarnych dziur wykryto w gęstych gromadach kulistych zlokalizowanych w halo Drogi Mlecznej. Przykładowo, zespół astronomów HST ogłosił w 2008 r. występowanie takiej czarnej dziury w gromadzie kulistej Omega Centauri. Z wielu powodów, na przykład niewystarczającej ilości danych, wyniki badań czarnych dziur o średniej masie pozostają niejednoznaczne i nie wykluczają alternatywnych teorii.
Zdjęcie Hubble’a przedstawiające gromadę kulistą M4. Gromada jest gęstym zbiorem kilku setek tysięcy gwiazd. Astronomowie podejrzewają, że niezaobserwowana dotąd czarna dziura o masie pośredniej ukryta jest w jej centrum.
Unikalne możliwości Hubble’a zostały doszczętnie wykorzystane podczas badania jądra gromady kulistej M4, mającego na celu polowanie na czarne dziury z największą dotychczas dokładnością. „Nie da się uprawiać takiej nauki bez Hubble’a” – powiedział Eduardo Vitral z STScI w Baltimore, główny autor publikacji z Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Zespół Vitrala wykrył potencjalną średnio masywną czarną dziurę, ważącą blisko 800 razy więcej niż Słońce, w gromadzie M4. Dane z Hubble’a zdają się wykluczać alternatywne teorie wyjaśniające tę kwestię, takie jak niewykryta dotąd zwarta centralna gromada pozostałości gwiazd, na przykład gwiazd neutronowych czy mniejszych czarnych dziur, wirujących wokół siebie nawzajem.
Podejrzewanego obiektu nie można zobaczyć, jego masa obliczona została dzięki analizowaniu ruchów gwiazd w jego polu grawitacyjnym, podobnych do ruchu pszczół rojących się wokół ula. Zmierzenie ich wymaga dużo czasu i precyzji. Hubble realizuje to jak żaden inny dzisiejszy teleskop. Astronomowie przejrzeli dwunastoletni dorobek obserwacji M4 teleskopu Hubble’a i ustalili położenia gwiazd.
„Jesteśmy zdecydowanie pewni, że odnaleźliśmy mały obszar skupiający dużą masę. Jest on około trzy razy mniejszy od najgęstszego obszaru znalezionego dotąd przez nas w innych gromadach kulistych” – powiedział Vitral – „Region jest bardziej zbity niż ten, który możemy odtworzyć w symulacjach numerycznych, kiedy oddzielnie uwzględniamy zarówno czarne dziury, gwiazdy neutronowe, jak i białe karły w centrum gromady. Nie są w stanie uformować tak zwartej, skoncentrowanej masy”.
Grupowanie się ściśle powiązanych obiektów byłoby dynamicznie niestabilne. Jeśli obiekt nie jest pojedynczą czarną dziurą o średniej masie, wytworzenie zaobserwowanego ruchu wymagałoby, według szacunków, 40 mniejszych czarnych dziur ściśniętych do rozmiaru jednej dziesiątej roku świetlnego, konsekwencją czego byłoby ich złączenie i/lub wyrzut niczym w grze w międzygwiezdnego pinballa.
„Możemy mierzyć ruchy gwiazd i ich pozycje, jak również stosować modele fizyczne, które usiłują je odtworzyć. Finalnie otrzymujemy pomiary rozszerzonej ciemnej masy w centrum gromady” – wytłumaczył Vitral – „Im bliżej do masy środkowej, tym ruch gwiazd jest bardziej losowy. Jednocześnie, im większa masa środkowa, tym większe są prędkości gwiazd.”
Ponieważ średniej masy czarne dziury w gromadach kulistych, mimo wszystko, pozostają nieuchwytne, Vitral ostrzega:
„Chociaż nie jesteśmy w stanie w pełni stwierdzić, że jest to środek ciężkości, możemy pokazać, że jest bardzo niewielki. Jest zbyt mały, abyśmy mogli wytłumaczyć to inaczej niż występowaniem czarnej dziury. Ewentualnie może istnieć zjawisko, o którym nie wiemy, przynajmniej przy dzisiejszej wiedzy fizycznej”.
Korekta — Rafał Górski
