Polacy współodkrywcami pierwszej samotnej czarnej dziury

Poproszę do tematu Nauka.

Ostatnie lata w astronomii można śmiało nazwać czasem czarnych dziur. Detektory fal grawitacyjnych LIGO i Virgo rejestrują coraz więcej sygnałów wyemitowanych przez zderzające się takie obiekty, a sieć radioteleskopów Event Horizon Telescope przedstawiła otrzymane na falach milimetrowych obrazy supermasywnych czarnych dziur w centrach Drogi Mlecznej i galaktyki M87. W tych dniach doniesiono o odkryciu pierwszej czarnej dziury o masie gwiazdowej, która samotnie przemierza naszą Galaktykę. Współodkrywcami są astronomowie z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego.

Zasadniczo czarne dziury można podzielić na trzy grupy. Pierwsza z nich to obiekty supermasywne, o masach od miliona do miliardów mas naszego Słońca. Rezydują one w centrach galaktyk. Druga to czarne dziury gwiazdowe, o masach od kilku do kilkudziesięciu mas Słońca. Te obiekty powstały, kiedy najbardziej masywne gwiazdy wybuchły jako supernowe. Wreszcie trzecia, najsłabiej poznana grupa, to czarne dziury „wagi średniej”, o masach tysięcy mas Słońca, znajdujące się w centrach gromad kulistych. (Gromady kuliste są bardzo starymi, gęstymi zbiorowiskami gwiazd wewnątrz galaktyk).

Ponieważ czarne dziury pochłaniają wszystko, nawet światło, bezpośrednio zobaczyć ich się nie da. Do tej pory wykrywano je albo rejestrując promieniowanie wpadającej do nich rozgrzanej materii, albo, od niedawna, za pomocą detekcji fal grawitacyjnych, które emitują w trakcie zderzenia. W ten pierwszy sposób odkryto większość zarówno supermasywnych, jak i gwiazdowych czarnych dziur.

Jest jednak pewien problem. Żeby do czarnej dziury wpadała materia, której promieniowanie można zaobserwować, musi być jakieś jej źródło. Dlatego dotychczas odkrywane gwiazdowe czarne dziury znajdowały się zawsze w układach podwójnych, czyli w parach z normalnymi gwiazdami. W takiej sytuacji grawitacja czarnej dziury może wyrywać ze swej towarzyszki materię, która następnie rozgrzewa się i świeci. Natomiast samotne, pojedyncze czarne dziury pozostawały nieodkryte. A powinno ich być całkiem sporo, bo i supernowych sporo wybucha.

Okazuje się, że w odkrywaniu osamotnionych czarnych dziur pomocny może okazać się efekt soczewkowania grawitacyjnego. Zjawisko to jest badane przez nowozelandzko-japoński zespół MOA (Microlensing Observations in Astrophysics; Obserwacje mikrosoczewkowania w astrofizyce), a także kierowany przez profesora Andrzeja Udalskiego z Uniwersytetu Warszawskiego polski projekt OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment; Eksperyment Optycznego Soczewkowania Grawitacyjnego). O tym drugim przedsięwzięciu pisałem kiedyś w notce Polscy astronomowie umieścili na niebie słowiańską boginię.

Oto fragment tej notki, wyjaśniający na czym polega soczewkowanie grawitacyjne i jak może ono posłużyć do badań obiektów astronomicznych:

Efekt soczewki grawitacyjnej powstaje wtedy, gdy między nami a jakimś jasnym ciałem (np. gwiazdą) przemieszcza się inny obiekt. Zgodnie z ogólną teorią względności wzmacnia on światło tejże gwiazdy niczym zwykła soczewka optyczna. Można obliczyć, jak powinna zmieniać się w czasie jasność gwiazdy soczewkowanej przez różne obiekty i stworzyć teoretyczne wzorce takich zmian. Oto jeden z takich wzorców. Na osi poziomej mamy upływający czas, a na pionowej zmiany jasności soczewkowanej gwiazdy:

Teoretyczne zmiany jasności gwiazdy podczas wystąpienia efektu soczewkowania grawitacyjnego

Poszukiwanie soczewek grawitacyjnych polega na wypatrywaniu zmian jasności pasujących do tychże wzorców. Gdy taką zmianę dostrzeżemy, możemy przez porównanie z wzorcami wyznaczyć parametry soczewkującego ciała. Oto jedna z obserwacji soczewkowania grawitacyjnego:

Obserwowane zmiany jasności pewnej gwiazdy podczas wystąpienia efektu soczewkowania grawitacyjnego (wiki; Jan Skowron, CC BY-SA 2.5)

Dnia 2 czerwca 2011 roku zespół OGLE zarejestrował kolejny przypadek soczewkowania; do katalogu trafił on pod nazwą OGLE-2011-BLG-0462. Równocześnie to samo kosmiczne zdarzenie zaobserwowali Nowozelandzko-Japończycy i nadali mu numer MOA-2011-BLG-191. Zjawisko trwało wiele dni, co sugerowało, że obiekt soczewkujący ma sporą masę. Zainteresowali się nim kolejni astronomowie i postanowili poszukać innego efektu, jaki wywołuje soczewka grawitacyjna.

Tym efektem są drobne zmiany położenia gwiazdy soczewkowanej względem innych gwiazd. Soczewka grawitacyjna powoduje nie tylko zwiększenie jasności, ale także lekkie zakrzywienie drogi, po której porusza się promieniowanie. Z tego powodu pozycja obiektu soczewkowanego na niebie jest nieco przesunięta. Efekt jest mikroskopijny, ale do zmierzenia przez czułe instrumenty. W ciągu następnych 10 lat astronomowie, korzystając z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, przeprowadzili kilkanaście takich pomiarów. Okazało się, że gwiazda soczewkowana faktycznie zmieniała swoje położenie. Opierając się na wielkości tych zmian, a także na stopniu zmian jasności gwiazdy soczewkowanej, naukowcy doszli do wniosku, że masa obiektu soczewkowującego musi wynosić kilka mas Słońca.

Czym może być ten obiekt? Gdyby był zwykłą gwiazdą o takiej masie, bez problemu zostałby wypatrzony przez teleskopy, gdyż gwiazdy takie są bardzo jasne. Nic takiego się jednak nie stało. Musi to zatem być obiekt słabo świecący: biały karzeł, gwiazda neutronowa albo czarna dziura. Jednakże masy białych karłów i gwiazd neutronowych nie mogą być aż tak duże (maksymalna masa białego karła to 1,4 masy Słońca, zaś górny limit dla gwiazd neutronowych to jakieś 2-2,5 masy Słońca), pozostaje więc jedyna możliwość: czarna dziura.

W ten sposób metodą eliminacji dokonano odkrycia pierwszej samotnej czarnej dziury w naszej Galaktyce. Szczegółowe wyniki pomiarów i ich analizy zostały właśnie przedstawione w dwóch artykułach opublikowanych w najbardziej prestiżowych czasopismach astronomicznych: The Astrophysical Journal i The Astrophysical Journal Letters. Jeśli ktoś chciałby zapoznać się z ich treścią, można je znaleźć tutaj:

https://arxiv.org/pdf/2201.13296.pdf

i tutaj:

https://arxiv.org/pdf/2202.01903.pdf .