Nowe badania odkrywają setki nowych czarnych dziur w gromadach kulistych

Zdjęcie centralnego regionu gromady kulistej NGC 6101 wykonane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble'a. Źródło: NASA
Zdjęcie centralnego regionu gromady kulistej NGC 6101 wykonane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Źródło: NASA

Nowe badania przeprowadzone przez naukowców z University of Surrey, których wyniki opublikowano dzisiaj w periodyku Monthly Notices of the Royal Astronomical Society rzucają nowe światło na kuliste gromady gwiazd, które mogą skrywać kilkaset czarnych dziur. Dotąd naukowcy uważali to za niemożliwe.

Gromady kuliste to sferyczne zbiory gwiazd, które krążą wokół centrum galaktyk takich jak np. Droga Mleczna. Wykorzystując zaawansowane symulacje komputerowe, zespół naukowców z University of Surrey był w stanie dostrzec to co niewidzialne podczas tworzenia mapy gromady kulistej znanej jako NGC 6101. Naukowcy dostrzegli tam liczne czarne dziury o masie kilka razy większej od masy Słońca. Tego typu czarne dziury powstają w procesie kolapsu grawitacyjnego masywnych gwiazd. Dotąd naukowcy uważali, że takie czarne dziury wyrzucane byłyby z gromady macierzystej wskutek eksplozji supernowej prowadzącej do ich powstania.

„Ze względu na ich naturę, czarnych dziur nie da się wypatrzeć za pomocą teleskopu, wszak z czarnej dziury żadne fotony nie są emitowane,” tłumaczy główny autor opracowania Miklos Peuten z University of Surrey. „Aby je znaleźć, szukamy ich wpływu grawitacyjnego na otoczenie. Wykorzystując obserwacje i symulacje jesteśmy w stanie dostrzec wyraźne wskazówki dotyczące ich położenia, a tym samym zobaczyć to co niewidoczne.”

Dopiero w 2013 roku astrofizycy odkryli pojedyncze czarne dziury w gromadach kulistych obserwując rzadkie zjawisko w którym gwiazda-towarzysz jest źródłem materii dla czarnej dziury. Te badania, które wspierane były przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych wykazały, że w NGC 6101 może znajdować się nawet kilkaset czarnych dziur – co całkowicie wywróciło wszystkie stare teorie opisujące powstawanie czarnych dziur.

Współautor artykułu prof. Mark Gieles z University of Surrey mówi „Nasze prace mają na celu próbę odpowiedzi na fundamentalne pytania dotyczące dynamiki gwiazd i czarnych dziur oraz niedawno zaobserwowanych fal grawitacyjnych, które powstają podczas łączenia się dwóch czarnych dziur. Jeżeli nasza interpretacja jest właściwa to jądra niektórych gromad kulistych mogą być miejscami łączenia się czarnych dziur.”

Naukowcy wybrali tę konkretną, wiekową gromadę kulistą ze względu na jej niedawno odkryty, nietypowy skład, znacząco różniący się od innych gromad. W porównaniu z innymi gromadami kulistymi NGC 6101 wydaje się być dynamicznie młodą grupą w porównaniu z wiekiem pojedynczych gwiazd ją tworzących. Co więcej, gromada wydaje się rozdęta, a w jej centrum znajduje się zaskakująco mało gwiazd.

Zdjęcie  pochodzące z symulacji komputerowej gromady NGC 6101 po usunięciu z niej wszystkich czarnych dziur. Centrum gromady wydaje się bardziej skoncentrowane niż na zdjęciach wykonanych za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble'a. Najwidoczniej symulacja pomija jakieś informacje, przez co nie może odtworzyć obserwowanych właściwości gromady. Źródło: University of Surrey
Zdjęcie pochodzące z symulacji komputerowej gromady NGC 6101 po usunięciu z niej wszystkich czarnych dziur. Centrum gromady wydaje się bardziej skoncentrowane niż na zdjęciach wykonanych za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Najwidoczniej symulacja pomija jakieś informacje, przez co nie może odtworzyć obserwowanych właściwości gromady. Źródło: University of Surrey

Wykorzystując symulacje komputerowe zespół odtworzył każdą pojedynczą gwiazdę i czarną dziurę w gromadzie, jak i ich zachowanie. Symulacja odtworzyła ewolucję gromady NGC 6101 na przestrzeni jej trwającej 13 miliardów lat historii. Dzięki temu możliwe było dojrzenie wpływu dużej liczby czarnych dziur na widoczne w gromadzie gwiazdy, jak i odtworzenie tego co teraz widzimy w NGC 6101. Wnioskując z tego naukowcy wykazali, że tajemnicza pozorna młodość dynamiczna gromady jest skutkiem obecności dużej populacji czarnych dziur.

„Te badania są naprawdę ekscytujące, bo możemy teoretycznie obserwować spektakl przedstawiający całą populację czarnych dziur. Wyniki symulacji wskazują, że gromady kuliste takie jak NGC 6101, które zawsze uważane były za nudne, w rzeczywistości są jednymi z najbardziej interesujących, bowiem w każdej z nich mogą znajdować się setki czarnych dziur. Badania te pozwolą nam znaleźć kolejne setki czarnych dziur w innych gromadach kulistych,” podsumowuje Peuten.

Zdjęcie z symulacji komputerowej gromady NGC 6101 w jej obecnym wieku, tym razem wszystkie czarne dziury pozostały w gromadzie w momencie powstania. Gromada w symulacji wykazuje tak samo rozdęty rozkład gwiazd jaki obserwowany jest na zdjęciach wykonanych za pomocą Hubble'a. Czarne dziury, będąc najmasywniejszymi elementami gromady, z czasem podążają ku centrum gromady po drodze wypychając gwiazdy na zewnątrz. Źródło: University of Surrey
Zdjęcie z symulacji komputerowej gromady NGC 6101 w jej obecnym wieku, tym razem wszystkie czarne dziury pozostały w gromadzie w momencie powstania. Gromada w symulacji wykazuje tak samo rozdęty rozkład gwiazd jaki obserwowany jest na zdjęciach wykonanych za pomocą Hubble’a. Czarne dziury, będąc najmasywniejszymi elementami gromady, z czasem podążają ku centrum gromady po drodze wypychając gwiazdy na zewnątrz. Źródło: University of Surrey

Źródło: University of Surrey