Astronomowie zaobserwowali narodziny czarnej dziury

Naukowcy uchwycili nagłe zniknięcie szczególnie masywnej gwiazdy w galaktyce Andromedy, które może wskazywać na narodziny czarnej dziury.  

W 2014 roku należący do NASA teleskop kosmiczny NEOWISE zaobserwował, że promieniowanie podczerwone emitowane przez masywną gwiazdę w galaktyce Andromedy stopniowo stawało się coraz jaśniejsze. Obiekt ten świecił niezwykle intensywnie w podczerwieni przez około trzy lata, po czym nagle zgasł i znikną, pozostawiając po sobie powłokę składającą się z pyłu. Chociaż teleskop uchwycił to zjawisko od razy, to jednak naukowcy zauważyli je dopiero po latach.

W ramach nowego badania, astronomowie pod kierownictwem Kishalaya De z Columbia University, odkryli, że mogły być to narodziny czarnej dziury, gdy gwiazda bezpośrednio zapadła się w ten niezwykle gęsty obiekt. Naukowcy od dawna przewidywali, że to zjawisko może istnieć, ale nie posiadali przekonujących dowodów obserwacyjnych. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „Science”.

Zdaniem badaczy, wydaje się, że gwiazda uległa bezpośredniemu zapadnięciu, zamieniając się w czarną dziurę bez uprzedniej eksplozji i przekształcenia w supernową, co od dawna uważano za powszechny sposób, w jaki może zachodzić taka przemiana. 

Gwiazda, oznaczona jako M31-2014-DS, która była ubogim w wodór nadolbrzymem, znajdował się w galaktyce Andromedy, która jest najbliższą galaktyką wielką względem Drogi Mlecznej – położona około 2,5 miliona lat świetlnych od Ziemi. Kiedy powstała, gwiazda miała około 13 razy większą masę od Słońca, podczas swojego życia utraciła dużą część swojej materii w wyniku silnych wiatrów i w momencie śmierci była jedynie pięć razy cięższa od naszej gwiazdy.

„Dramatyczne i trwałe zaniknięcie tej gwiazdy było bardzo niezwykłe i wskazywało, że nie doszło do wybuchu supernowej, co sugeruje, że jądro gwiazdy bezpośrednio zapadło się w czarną dziurę. Od dawna zakładano, że gwiazdy o takiej masie zawsze eksplodują jako supernowe. Fakt, że tak się nie stało, co może wskazywać, że tego typu obiekty mogą, ale nie muszą wybuchać, prawdopodobnie ze względu na chaotyczne oddziaływania grawitacyjne, fale uderzeniowe i ciśnienie gazu wewnątrz umierających gwiazd” – mówi Kishalaya De.

Zdaniem astronomów, sposób, w jaki gwiazda przekształciła się w czarną dziurę, sugeruje, że pod koniec swojego życia jej wewnętrzne jądro nie zostało wyrzucone na zewnątrz w wyniku normalnej eksplozji supernowej, a zamiast tego uległ całkowitemu zapadnięciu się. 

Proces bezpośredniego zapadnięcia się mógł być już raz zaobserwowany, około 2010 roku, w galaktyce NGC 6946, która znajdywała się około 10 razy dalej niż gwiazda zaobserwowana w Andromedzie. Jednak dokładna natura sygnału pozostawała niejasna, ponieważ był on 100 razy słabszy i nie było na jego temat danych o tak wysokiej jakości.

„Wiemy, że czarne dziury muszą pochodzić od gwiazd. Dzięki tym dwóm nowym sygnałom możemy obserwować ten proces i dowiedzieć się wiele o tym, jak może przebiegać proces ich narodzin” – twierdzi Morgan MacLeod z Harvard University.

Czarne dziury zostały po raz pierwszy opisane teoretycznie ponad 50 lat temu, a dziś badacze wiedzą o dziesiątkach takich obiektów w naszej galaktyce, a setki zostały wykryte dzięki obserwacjom fal grawitacyjnych w odległym Wszechświecie. Jednak naukowcy nadal nie są pewni tego, które gwiazdy zamieniają się w te obiekty i jak dokładnie przebiega ten proces. Nowe badanie dostarcza najdokładniejszych jak dotąd informacji na ten temat i wskazuje, że tego rodzaju zapadanie się gwiazd może zdarzać się częściej, niż sądzili naukowcy.

Astronomowie odkryli gwiazdę, analizując archiwalne dane z misji NEOWISE. Wykorzystali oni założenia pochodzące z lat 70 XX wieku, zgodnie z którymi bezpośrednie zapadnięcie gwiazdy pozostawiłoby po sobie słabe promieniowanie podczerwone spowodowane ostatnim tchnieniem umierającej gwiazdy, która wyrzuciła swoje zewnętrzne warstwy i pozostawała otoczona pyłem.

Przeprowadzili największe jak dotąd badanie zmiennych źródeł podczerwieni, śledząc każdą gwiazdę w Drodze Mlecznej i innych pobliskich galaktykach w poszukiwaniu takich zdarzeń, aż w końcu natrafili na M31-2014-DS1. Dalsza analiza wykazała, że obiekt idealnie pasował do założeń.

„W przeciwieństwie do wykrywania supernowych, co jest łatwe, ponieważ przez kilka tygodni przyćmiewają one całą swoją galaktykę macierzystą, znalezienie pojedynczych gwiazd, które znikają bez wywołania eksplozji, jest niezwykle trudne. To niezwykłe, że ogromna gwiazda po prostu zniknęła bez eksplozji i nikt tego nie zauważył przez ponad pięć lat. Ma to naprawdę duży wpływ na nasze rozumienie sposobu śmierci ogromnych gwiazd we Wszechświecie. Pokazuje to, że takie rzeczy mogą się tam po cichu dziać i pozostawać niezauważone” – podsumowuje Kishalaya De.

Emil Gołoś