Naukowcy najprawdopodobniej odkryli całą nową klasę czarnych dziur

Czarne dziury stanowią ważny element współczesnej astrofizyki – tak ważny, że naukowcy starają się zbudować katalog wszystkich czarnych dziur w Drodze Mlecznej.

Nowe badania wskazują jednak, że w swoich poszukiwaniach badacze mogli pominąć całą klasę czarnych dziur, o której istnieniu nie mieli pojęcia.

W artykule opublikowanym wczoraj w periodyku Science astronomowie proponują nowy sposób poszukiwania czarnych dziur i wskazują, że możliwe jest istnienie klasy czarnych dziur mniejszych od najmniejszych znanych dotychczas we wszechświecie.

“Wskazujemy jedynie, że być może istnieje jeszcze jedna populacja, którą powinniśmy uwzględnić podczas poszukiwań czarnych dziur” mówi Todd Thompson, profesor astronomii z Ohio State University i główny autor opracowania.

“Naukowcy starają się zrozumieć eksplozje supernowych, eksplozje supermasywnych czarnych gwiazd, procesy powstawania pierwiastków w supermasywnych gwiazdach. Gdyby zatem udało nam się odkryć całą nową populację czarnych dziur, powiedziałaby nam ona więcej o tym, które gwiazdy eksplodują, a które nie, z których powstają czarne dziury, a z których gwiazdy neutronowe. To całe nowe pole badań”.

Wystarczy tylko wyobrazić sobie spis mieszkańców miasta, w którym znajdują się tylko ludzie o wzroście powyżej 180 cm. Dane z takiego spisu byłyby niekompletne i zupełnie wypaczałyby rzeczywisty obraz populacji miasta. Co do zasady, z taką sytuacją mamy do czynienia w przypadku czarnych dziur, mówi Thompson.

Astronomowie od dawna poszukują czarnych dziur, których przyciąganie grawitacyjne sprawia, że nic – ani materia, ani promieniowanie – nie potrafi uciec z ich powierzchni. Czarne dziury powstają w momencie śmierci gwiazdy, która się kurczy i ulega eksplozji. Astronomowie poszukują także gwiazd neutronowych – małych, gęstych gwiazd, które powstają w momencie śmierci i kolapsu masywnych gwiazd.

Oba typy obiektów skrywają interesujące informacje o pierwiastkach na Ziemi oraz o życiu i śmierci gwiazd. Jednak aby odkryć te informacje, astronomowie muszą najpierw dojść do tego gdzie te czarne dziury są, a żeby się dowiedzieć gdzie one są, muszą wiedzieć czego szukać.

Wskazówka: czarne dziury bardzo często znajdują się w układach podwójnych. Oznacza to, że dwie gwiazdy znajdują się wystarczająco blisko siebie, aby związać się ze sobą grawitacyjnie i krążyć wokół wspólnego środka masy. Gdy jedna z tych gwiazd umiera, druga pozostaje i nadal krąży wokół miejsca, w którym znajdowała się kiedyś jej towarzyszka, a teraz znajduje się czarna dziura lub gwiazda neutronowa.

Od wielu lat specjaliści od czarnych dziur wiedzą, że wszystkie mieszczą się w przedziale od pięciu do piętnastu mas Słońca Znane gwiazdy neutronowe nie przekraczają masy 2,1 masy Słońca – gdyby były większe niż 2,5 masy Słońca, zapadłyby się w czarną dziurę.

Jednak latem 2017 roku, obserwacje prowadzone przez interferometr LIGO doprowadziły do zaobserwowania procesu łączenia dwóch czarnych dziur w galaktyce oddalonej od nas o 1,8 miliona lat świetlnych. Jedna z tych czarnych dziur miała masę 31 mas Słońca, a druga 25 mas Słońca.

“Momentalnie wszystkich to zaskoczyło. To było naprawdę spektakularne odkrycie” mówi Thompson. “Nie tylko dlatego, że okazało się, że LIGO działa tak jak tego chcieliśmy, ale dlatego, że masy czarnych dziur okazały się tak duże. Czarnych dziur o takiej masie wcześniej nie obserwowano”.

Thompson wraz z innymi astrofizykami od dawna podejrzewał, że czarne dziury mogą wykraczać poza znany zakres mas i odkrycie LIGO potwierdziło, że faktycznie czarne dziury mogą być większe. Pozostało jednak okno mas między największymi gwiazdami neutronowymi i najmniejszymi czarnymi dziurami. Thompson postanowił sprawdzić, czy uda mu się rozwiązać także i tę zagadkę.

Wraz ze współpracownikami rozpoczął analizowanie danych z APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment), przeglądu w ramach którego zebrano widma ponad 100 000 gwiazd w Drodze Mlecznej. Widmo może wskazać nam czy obserwowana gwiazda krąży wokół jakiegoś obiektu: zmiany widma – przesunięcia ku błękitowi, po których następuje przesunięcie ku czerwieni – wskazują, że gwiazda krąży wokół niewidocznego towarzysza.

Thompson rozpoczął przeszukiwanie danych od poszukiwania gwiazd wykazujących zmiany, które mogłyby wskazywać, że gwiazda krąży wokół czarnej dziury.

Następnie, badacze zawęzili dane z APOGEE do 200 najbardziej interesujących gwiazd. Tharindu Jayasinghe, doktorant na OSU, otrzymał zadanie połączenia tysięcy zdjęć każdego potencjalnego układu podwójnego z ASASSN (All-Sky Automated Survey for Supernovae), przeglądu który skatalogował ponad 1000 supernowych.

Analiza obu zbiorów danych doprowadziła do odkrycia czerwonego olbrzyma, który zdaje się krążyć wokół czegoś, ale to coś według obliczeń jest znacznie mniejsze od znanych czarnych dziur w Drodze Mlecznej, ale dużo większe od znanych gwiazd neutronowych.

Po dodatkowych obliczeniach i uzyskaniu nowych danych z Tillinghast Reflector Echelle Spectrograph oraz z satelity Gaia, badacze uświadomili sobie, że odkryli małomasywną czarną dziurę o masie około 3,3 mas Słońca.

“Udało nam się opracować nowy sposób poszukiwania czarnych dziur, ale jednocześnie najprawdopodobniej odkryliśmy jedną z pierwszych przedstawicielek nowej klasy małomasywnych czarnych dziur, o której nauka wcześniej nic nie wiedziała. Masy wszelakich obiektów mówią nam wiele o procesach ich formowania i ewolucji oraz o ich naturze”.

Źródło: OSU

Author: Radek Kosarzycki

Niedoszły astronom. Prawie filolog. Aspołeczny popularyzator nauki. Kulturalny cham.