Czarne dziury z natury są niewidoczne, chyba że są częścią układu podwójnego gwiazd lub są otoczone dyskiem akrecyjnym. Większość czarnych dziur o rozmiarach gwiazdy nie jest, ale astronomowie szukali ich poprzez zjawiska mikrosoczewkowania grawitacyjnego, w których czarna dziura rozjaśnia i zniekształca światło z gwiazd w kierunku centrum galaktyki. Zespół kierowany przez UC Berkeley mógł znaleźć pierwszą swobodnie unoszącą się czarną dziurę, chociaż potrzeba więcej danych, aby wykluczyć gwiazdę neutronową.
Jeśli, jak sądzą astronomowie, śmierć dużych gwiazd pozostawi czarne dziury, powinny być ich setki milionów rozrzucone po całej galaktyce Drogi Mlecznej. Problem polega na tym, że izolowane czarne dziury są niewidoczne.
Teraz, zespół kierowany przez University of California w Berkeley, astronomowie po raz pierwszy odkryli coś, co może być swobodnie unoszącą się czarną dziurą, obserwując pojaśnienie bardziej odległej gwiazdy, gdy jej światło zostało zniekształcone przez silne pole grawitacyjne obiektu — tak zwane mikrosoczewkowanie grawitacyjne.
Zespół, kierowany przez studentkę Casey Lam i Jessicę Lu, profesor astronomii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, szacuje, że masa niewidzialnego zwartego obiektu jest od 1,6 do 4,4 razy większa od masy Słońca. Ponieważ astronomowie uważają, że pozostałość po martwej gwieździe musi być cięższa niż 2,2 masy Słońca, aby zapaść się w czarną dziurę, naukowcy z UC Berkeley ostrzegają, że obiekt może być gwiazdą neutronową, a nie czarną dziurą. Gwiazdy neutronowe są również gęstymi, bardzo zwartymi obiektami, ale ich grawitacja jest równoważona wewnętrznym ciśnieniem neutronów, co zapobiega dalszemu zapadaniu się w czarną dziurę.
Niezależnie od tego, czy jest to czarna dziura, czy gwiazda neutronowa, obiekt jest pierwszą ciemną pozostałością gwiezdną – gwiezdnym „duchem” – odkrytą wędrującą przez galaktykę niesparowaną z inną gwiazdą.
“To pierwsza swobodnie unosząca się czarna dziura lub gwiazda neutronowa odkryta za pomocą mikrosoczewkowania grawitacyjnego” – powiedział Lu. „Dzięki mikrosoczewkowaniu jesteśmy w stanie zbadać te samotne, zwarte obiekty i je zważyć. Myślę, że otworzyliśmy nowe okno na te ciemne obiekty, których nie można zobaczyć w żaden inny sposób”.
Ustalenie, ile z tych zwartych obiektów zamieszkuje Drogę Mleczną, pomoże astronomom zrozumieć ewolucję gwiazd – w szczególności sposób ich umierania – oraz naszej galaktyki i być może ujawnić, czy którakolwiek z niewidocznych czarnych dziur jest pierwotnymi czarnymi dziurami, które zdaniem niektórych kosmologów zostały wyprodukowane w dużych ilościach podczas Wielkiego Wybuchu.
Analiza przeprowadzona przez Lam, Lu i ich międzynarodowy zespół została przyjęta do publikacji w The Astrophysical Journal Letters. Analiza obejmuje cztery inne zdarzenia mikrosoczewkowania, co do których zespół stwierdził, że nie zostały spowodowane przez czarną dziurę, chociaż dwa były prawdopodobnie spowodowane przez białego karła lub gwiazdę neutronową. Zespół doszedł również do wniosku, że prawdopodobna populacja czarnych dziur w galaktyce wynosi 200 milionów – mniej więcej tak, jak przewidywała większość teoretyków.
Te same dane, różne wnioski
Warto zauważyć, że konkurencyjny zespół z Space Telescope Science Institute (STScI) w Baltimore przeanalizował to samo zjawisko mikrosoczewkowania i twierdzi, że masa zwartego obiektu jest bliższa 7,1 mas Słońca i bezdyskusyjnie jest czarną dziurą. Artykuł opisujący analizę zespołu STScI, kierowanego przez Kailasha Sahu, został przyjęty do publikacji w The Astrophysical Journal.
Oba zespoły wykorzystały te same dane: pomiary fotometryczne rozjaśniania się odległej gwiazdy, gdy jej światło zostało zniekształcone lub „soczewkowane” przez superkompaktowy obiekt, oraz pomiary astrometryczne przesunięcia położenia odległej gwiazdy na niebie w wyniku grawitacji. zniekształcenie spowodowane przez soczewkę. Dane fotometryczne pochodzą z dwóch przeglądów mikrosoczewkowania: Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE), w którym wykorzystuje się 1,3-metrowy teleskop w Chile, obsługiwanego przez Uniwersytet Warszawski, oraz Microlensing Observations in Astrophysics (MOA), który jest zamontowany na 1,8- teleskop metrowy w Nowej Zelandii obsługiwany przez Uniwersytet w Osace. Dane astrometryczne pochodziły z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a NASA. STScI zarządza programem naukowym teleskopu i prowadzi jego działalność naukową.
Ponieważ oba badania mikrosoczewkowe wyłapały ten sam obiekt, ma on dwie nazwy: MOA-2011-BLG-191 i OGLE-2011-BLG-0462, w skrócie OB110462.
Podczas gdy przeglądy takie jak te odkrywają około 2000 gwiazd rozjaśnianych każdego roku dzięki mikrosoczewkowaniu w galaktyce Drogi Mlecznej, dodanie danych astrometrycznych pozwoliło dwóm zespołom określić masę zwartego obiektu i jego odległość od Ziemi. Zespół kierowany przez UC Berkeley oszacował, że leży ona w odległości od 2280 do 6260 lat świetlnych (700-1920 parseków) w kierunku centrum Drogi Mlecznej i w pobliżu dużego zgrubienia otaczającego centralną, masywną czarną dziurę.
Grupa STScI oszacowała, że znajduje się on w odległości około 5153 lat świetlnych (1580 parseków).
Szukasz igły w stogu siana
Lu i Lam po raz pierwszy zainteresowali się obiektem w 2020 roku po tym, jak zespół STScI wstępnie stwierdził, że pięć zdarzeń mikrosoczewkowania zaobserwowanych przez Hubble’a – z których wszystkie trwały ponad 100 dni, a zatem mogły być czarnymi dziurami – mogą nie być spowodowane przez w końcu kompaktowe obiekty.
Lu, która od 2008 roku szuka swobodnie pływających czarnych dziur, uważa, że dane pomogą jej lepiej oszacować ich obfitość w galaktyce, która została z grubsza oszacowana na 10 do 1 miliarda. Do tej pory czarne dziury wielkości gwiazdy znajdowano jedynie jako część układów podwójnych gwiazd. Czarne dziury w układach podwójnych są widoczne albo w promieniach rentgenowskich, które powstają, gdy materia z gwiazdy spada na czarną dziurę, albo w niedawnych detektorach fal grawitacyjnych, które są wrażliwe na łączenie się dwóch lub więcej czarnych dziur. Ale te wydarzenia są rzadkie.
„Casey i ja widzieliśmy dane i naprawdę się zainteresowaliśmy. Powiedzieliśmy: „Wow, żadnych czarnych dziur. To niesamowite”, chociaż powinno być” – powiedział Lu. „I tak zaczęliśmy przyglądać się danym. Gdyby w danych naprawdę nie było czarnych dziur, to nie odpowiadałoby to naszemu modelowi określającemu, ile czarnych dziur powinno być w Drodze Mlecznej. Coś musiałoby się zmienić w naszym zrozumienie czarnych dziur – albo ich liczby, szybkości poruszania się, albo ich masy”.
Kiedy Lam przeanalizowała fotometrię i astrometrię pięciu zdarzeń mikrosoczewkowania, była zdziwiona, że jedno, OB110462, miało cechy zwartego obiektu: Obiekt soczewkujący wydawał się ciemny, a zatem nie był gwiazdą; rozjaśnienie gwiazdy trwało długo, prawie 300 dni; zniekształcenie pozycji gwiazdy tła również było długotrwałe.
Jak powiedział Lam, główną wskazówką była długość wydarzenia soczewkowania. W 2020 roku pokazała, że najlepszym sposobem poszukiwania mikrosoczewek czarnych dziur jest poszukiwanie bardzo długich zdarzeń. Powiedziała, że tylko 1% wykrywalnych zdarzeń mikrosoczewkowania prawdopodobnie pochodzi z czarnych dziur, więc patrzenie na wszystkie zdarzenia byłoby jak szukanie igły w stogu siana. Ale, jak wyliczył Lam, około 40% zdarzeń mikrosoczewkowania, które trwają dłużej niż 120 dni, to prawdopodobnie czarne dziury.
„Jak długo trwa rozjaśnienie jest wskazówką, jak masywna jest soczewka pierwszego planu zaginająca światło gwiazdy tła” – powiedział Lam. „Długie zdarzenia są bardziej prawdopodobne z powodu czarnych dziur. Nie jest to jednak gwarancją, ponieważ czas trwania epizodu rozjaśniania zależy nie tylko od masy soczewki pierwszego planu, ale także od tego, jak szybko porusza się soczewka pierwszego planu i gwiazda tła. Jednak dzięki pomiarom pozornej pozycji gwiazdy tła możemy potwierdzić, czy soczewka na pierwszym planie naprawdę jest czarną dziurą.
Według Lu, grawitacyjny wpływ OB110462 na światło gwiazdy tła był zdumiewająco długi. Potrzeba było około roku, aby gwiazda rozjaśniła się do szczytu w 2011 roku, a następnie około roku, aby powrócić do normy.
Więcej danych pozwoli odróżnić czarną dziurę od gwiazdy neutronowej
Aby potwierdzić, że OB110462 został spowodowany przez superkompaktowy obiekt, Lu i Lam poprosili o więcej danych astrometrycznych od Hubble’a, z których część dotarła w październiku ubiegłego roku. Te nowe dane pokazały, że zmiana położenia gwiazdy w wyniku pola grawitacyjnego soczewki jest nadal obserwowalna 10 lat po zdarzeniu. Dalsze obserwacje mikrosoczewek Hubble’a są wstępnie zaplanowane na jesień 2022 roku.
Analiza nowych danych potwierdziła, że OB110462 jest prawdopodobnie czarną dziurą lub gwiazdą neutronową.
Lu i Lam podejrzewają, że odmienne wnioski obu zespołów wynikają z faktu, że dane astrometryczne i fotometryczne dają różne miary względnych ruchów obiektów na pierwszym planie i w tle. Analiza astrometryczna również różni się w obu zespołach. Zespół kierowany przez UC Berkeley twierdzi, że nie jest jeszcze możliwe rozróżnienie, czy obiekt jest czarną dziurą, czy gwiazdą neutronową, ale mają nadzieję rozwiązać tę rozbieżność dzięki większej liczbie danych z Hubble’a i ulepszonej analizie w przyszłości.
„Choć chcielibyśmy powiedzieć, że jest to definitywnie czarna dziura, musimy zgłosić wszystkie dozwolone rozwiązania. Obejmuje to zarówno czarne dziury o mniejszej masie, jak i być może nawet gwiazdę neutronową” – powiedział Lu.
„Jeśli nie możesz uwierzyć w krzywą jasności, jasność, to mówi coś ważnego. Jeśli nie wierzysz w położenie względem czasu, to mówi ci coś ważnego” – powiedział Lam. „Tak więc, jeśli jeden z nich jest błędny, musimy zrozumieć, dlaczego. Albo inna możliwość jest taka, że to, co mierzymy w obu zestawach danych, jest poprawne, ale nasz model jest niepoprawny. Dane fotometryczne i astrometryczne pochodzą z tego samego procesu fizycznego, co oznacza, że jasność i pozycja muszą być ze sobą zgodne. Więc czegoś tam brakuje. ”
Oba zespoły oszacowały również prędkość superkompaktowego obiektu soczewkowego. Zespół Lu/Lam znalazł stosunkowo stabilną prędkość, mniejszą niż 30 kilometrów na sekundę. Zespół STScI znalazł niezwykle dużą prędkość, 45 km/s, którą zinterpretował jako wynik dodatkowego uderzenia, jakie rzekomo czarna dziura otrzymała od supernowej, która ją wygenerowała.
Lu interpretuje oszacowanie niskiej prędkości przez jej zespół jako potencjalnie wspierające nową teorię, że czarne dziury nie są wynikiem supernowych – dominującego dzisiaj założenia – ale zamiast tego pochodzą z nieudanych supernowych, które nie robią jasnego rozbryzgu we wszechświecie ani nie dają wynikające z czarnej dziury kopnięcie.
Prace Lu i Lama są wspierane przez Narodową Fundację Nauki (1909641) oraz Narodową Agencję Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NNG16PJ26C, NASA FINESST 80NSSC21K2043).