Komunikat prasowy

Dziwne zachowanie gwiazdy ujawniło samotną czarną dziurę ukrytą w olbrzymiej gromadzie gwiazd

17 stycznia 2018

Astronomowie używający należącego do ESO instrumentu MUSE na Bardzo Dużym Teleskopie (VLT) w Chile odkryli gwiazdę w gromadzie NGC 3201, która zachowuje się bardzo dziwnie. Wydaje się krążyć po orbicie wokół niewidzialnej czarnej dziury o masie około czterech mas Słońca — to pierwsza taka nieaktywna czarna dziura o masie gwiazdowej odkryta w gromadzie kulistej i pierwsza znaleziona przez bezpośrednie wykrycie jej oddziaływania grawitacyjnego. To ważne odkrycie wpłynie na nasze zrozumienie powstawania gromad gwiazd, czarnych dziur i pochodzenie zdarzeń fal grawitacyjnych.

Gromady kuliste gwiazd to olbrzymie kule dziesiątek tysięcy gwiazd, które krążą wokół większości galaktyk. Należą do najstarszych znanych systemów gwiazdowych we Wszechświecie i są datowane na czasy bliskie początkom wzrostu i ewolucji galaktyk. Obecnie wiadomo o ponad 150 takich gromadach należących do Drogi Mlecznej.

Jedna z gromad, o nazwie NGC 3201, położona w południowym gwiazdozbiorze Żagla, została zbadana przy pomocy instrumentu MUSE na należącym do ESO Bardzo Dużym Teleskopie (VLT) w Chile. Międzynarodowy zespół astronomów ustalił, iż jedna z gwiazd [1] w NGC 3201 zachowuje się bardzo dziwnie — jest przerzucana do przodu i do tyłu z prędkościami kilkuset tysięcy kilometrów na godzinę, co następuje w powtarzalny sposób co 167 dni [2].

Pierwszy autor, Benjamin Giesers (Georg-August-Universität Göttingen, Niemcy) został zaintrygowany zachowaniem gwiazdy: „Krąży po orbicie wokół czegoś, co jest kompletnie niewidoczne, a ma masę ponad cztery razy większą niż masa Słońca — to może być tylko czarna dziura! Pierwsza odkryta w gromadzie kulistej przez bezpośrednie obserwacje przyciągania grawitacyjnego.”

Związek pomiędzy czarnymi dziurami, a gromadami kulistymi jest ważny, ale tajemniczy. Z powodu swoich dużych mas i starego wieku tych gromad uważa  się, że wyprodukowały one mnóstwo czarnych dziur o masach gwiazdowych — powstających gdy masywne gwiazdy wybuchają i kolapsują po długim życiu w gromadzie [3] [4].

Instrument MUSE dostarcza astronomom unikatową możliwość mierzenia w tym samym czasie ruchów tysięcy odległych gwiazd. Dzięki nowym badaniom zespół był w stanie po raz pierwszy wykryć nieaktywną czarną dziurę w sercu gromady kulistej — taką, która obecnie nie pochłania materii i nie jest otoczona przez świecący dysk gazu. Udało się oszacować masę czarnej dziury dzięki ruchom gwiazdy schwytanej w monstrualnym przyciąganiu grawitacyjnym [5].

Na podstawie obserwowanych własności gwiazdy ustalono, że ma masę około 0,8 masy Słońca, a masa tajemniczego towarzysza została obliczona na koło 4,36 masy Słońca — czyli prawie na pewno czarna dziura [6].

Niedawne detekcje źródeł radiowych i rentgenowskich w gromadach kulistych, podobnie jak wykrycie w 2016 roku sygnałów fal grawitacyjnych wyprodukowanych przy zderzenie dwóch gwiazdowych czarnych dziur, sugerują, że względnie niewielkie czarne dziury mogą być powszechniejsze w gromadach kulistych niż do tej pory sądzono.

Giesers podsumowuje: „Do niedawna zakładano, że prawie wszystkie czarne dziury znikają z gromad kulistych po krótkim czasie i że systemy takie, jak omawiany, nie powinny istnieć! Ale wyraźnie widać, że to nie tak – nasze odkrycie jest pierwszą bezpośrednią detekcją grawitacyjnych efektów od gwiazdowej czarnej dziury w gromadzie kulistej. Wyniki pomogą w zrozumieniu formowania się gromad kulistych i ewolucji czarnych dziur oraz układów podwójnych – co jest kluczowe w kontekście zrozumienia źródeł fal grawitacyjnych.”

Uwagi

[1] Znaleziona gwiazda znajduje się na odejściu z ciągu głównego, co oznacza, że jest na końcu fazy zwanej ciągiem głównym. Wyczerpała swoje zasoby paliwa wodorowego i zmierza w stronę stania się czerwonym olbrzymem.

[2] Obecnie przy pomocy instrumentu MUSE prowadzony jest duży przegląd 25 gromad kulistych wokół Drogi Mlecznej, przy wsparciu konsorcjum MUSE. Dostarczy astronomom widma od 600 do 27000 gwiazd w każdej z gromad. Badania obejmują analizy „prędkości radialnych” indywidualnych gwiazd – szybkości z jaką poruszają się w stronę Ziemi lub się od niej oddalają, wzdłuż linii widzenia obserwatora. Dzięki prędkościom radialny można określić orbity gwiazd, a także własności dowolnego masywnego obiektu, który okrążają.

[3] Przy braku nieustannych procesów formowania gwiazd, tak w jak w przypadku gromad kulistych, gwiazdowe czarne dziury szybko stają się najbardziej masywnymi obiektami w okolicy. Generalnie, gwiazdowe czarne dziury w gromadach kulistych są około cztery razy masywniejsze niż otaczające je małomasywne gwiazdy. Najnowsze teorie wskazują, że czarne dziury tworzą gęste jądro gromady, które następnie oddziela się od reszty materii gromady. Uważa się, że ruchy w centrum gromady wyrzucają większość czarnych dziur i niewielkie z nich jest w stanie przetrwać po kilku miliardach lat.

[4] Czarne dziury o masie gwiazdowej — tzw. kolapsary — formują się gdy masywna gwiazda umiera zapadając się (kolapsując) pod wpływem własnej grawitacji i wybuchając jako potężna hipernowa. Pozostaje po tym czarna dziura obejmująca większość masy dawnej gwiazdy, która może być w przedziale od kilku do kilkudziesięciu mas Słońca.

[5] Ponieważ światło nie jest w stanie uciec z czarnej dziury z powodu potężnej grawitacji, podstawową metoda ich wykrywania są obserwacje emisji radiowej lub rentgenowskiej pochodzącej od gorącej materii wokół nich. Ale gdy czarna dziura nie oddziałuje z gorącą materią i nie akumuluje masy, ani nie emituje promieniowania – tak jak w tym przypadku – staje się „nieaktywna” i niewidzialna, potrzebna jest więc inna metoda detekcji.

[6] Ponieważ nieświecący obiekt w tym układzie podwójnym nie może być obserwowany bezpośrednio, istnieją alternatywne wyjaśnienia, aczkolwiek znacznie mniej przekonujące. Być może jest to układ potrójny układ gwiazd złożony z  dwóch ciasno związanych gwiazd neutronowych, a obserwowana gwiazda krąży wokół nich. Scenariusz ten wymagałby, aby każda z ciasno związanych gwiazd była co najmniej dwukrotnie bardziej masywna od Słońca, a takiego układu podwójnego nigdy do tej pory nie obserwowano.

Więcej informacji

Wyniki badań zaprezentowano w artykule pt. „A detached stellar-mass black hole candidate in the globular cluster NGC 3201”, B. Giesers et al., który ukaże się w czasopiśmie Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Skład zespołu badawczego: Benjamin Giesers (Georg-August-Universität Göttingen, Niemcy), Stefan Dreizler (Georg-August-Universität Göttingen, Niemcy), Tim-Oliver Husser (Georg-August-Universität Göttingen, Niemcy), Sebastian Kamann (Georg-August-Universität Göttingen, Niemcy; Liverpool John Moores University, Liverpool, Wielka Brytania), Guillem Anglada Escudé (Queen Mary University of London, Wielka Brytania), Jarle Brinchmann (Leiden Observatory, Leiden University, Leiden, Holandia; Universidade do Porto, CAUP, Porto, Portugalia), C. Marcella Carollo (Swiss Federal Institute of Technology, ETH, Zurich, Szwajcaria) Martin M. Roth (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Potsdam, Niemcy), Peter M. Weilbacher (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Potsdam, Niemcy) oraz Lutz Wisotzki (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Potsdam, Niemcy).

ESO jest wiodącą międzyrządową organizacją astronomiczną w Europie i najbardziej produktywnym obserwatorium astronomicznym na świecie. Wspiera je 16 krajów: Austria, Belgia, Brazylia, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Hiszpania, Holandia, Niemcy, Polska, Portugalia, Szwajcaria, Szwecja, Wielka Brytania oraz Włochy. ESO prowadzi ambitne programy dotyczące projektowania, konstrukcji i użytkowania silnych naziemnych instrumentów obserwacyjnych, pozwalając astronomom na dokonywanie znaczących odkryć naukowych. ESO odgrywa wiodącą rolę w promowaniu i organizowaniu współpracy w badaniach astronomicznych. ESO zarządza trzema unikalnymi, światowej klasy obserwatoriami w Chile: La Silla, Paranal i Chajnantor. W Paranal ESO posiada teleskop VLT (Very Large Telescope - Bardzo Duży Teleskop), najbardziej zaawansowane na świecie astronomiczne obserwatorium w świetle widzialnym oraz dwa teleskopy do przeglądów. VISTA pracuje w podczerwieni i jest największym na świecie instrumentem do przeglądów nieba, natomiast VLT Survey Telescope to największy teleskop dedykowany przeglądom nieba wyłącznie w zakresie widzialnym. ESO jest głównym partnerem ALMA, największego istniejącego projektu astronomicznego. Z kolei na Cerro Armazones, niedaleko Paranal, ESO buduje 39-metrowy teleskop ELT (Extremely Large Telescope - Ekstremalnie Wielki Teleskop), który stanie się „największym okiem świata na niebo”.

Linki

• Publikacja naukowa
• Informacje o instrumencie MUSE na VLT
• Zdjęcia teleskopu VLT

Kontakt

Benjamin Giesers
Georg-August-Universität Göttingen
Göttigen, Germany
E-mail: giesers@astro.physik.uni-goettingen.de

Stefan Dreizler
Georg-August-Universität Göttingen
Göttigen, Germany
E-mail: dreizler@astro.physik.uni-goettingen.de

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel.: +49 89 3200 6655
Tel. kom.: +49 151 1537 3591
E-mail: rhook@eso.org

Krzysztof Czart (Kontakt dla mediów Polska)
Sieć Popularyzacji Nauki ESO oraz Urania - Postępy Astronomii
Toruń, Polska
Tel.: +48 513 733 282
E-mail: eson-poland@eso.org

Śledź ESO w mediach społecznościowych