NGC 6397 – gromada kulista wypełniona czarnymi dziurami

Astronomowie za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a uchwycili gromadę kulistą oznaczoną jako NGC 6397, znajdującą się w gwiazdozbiorze Ołtarza.

Gromady kuliste to niezwykle gęste struktury, w których gwiazdy znajdują się blisko siebie. Zwykle są one również bardzo stare – gromada kulista, która została zaobserwowana przez Hubble’a, NGC 6397, jest prawie tak stara jak sam Wszechświat. Znajduje się ona w odległości 7800 lat świetlnych, co czyni ją jedną z najbliższych Ziemi obiektów tego typu. Ze względu na swoje bardzo gęste jądro, znana jest jako gromada z zapadniętym jądrem.

Naukowcy z Institut d’Astrophysique de Paris, pod kierownictwem Eduardo Vitrala i Garego A. Mamona, postanowili zbadać jądro NGC 6397 i spodziewali się znaleźć w niej dowody na istnienie czarnej dziury o średniej masie (IMBH). Są one mniejsze niż supermasywne czarne dziury znajdujące się w jądrach dużych galaktyk, ale większe niż czarne dziury o masie gwiazdowej powstałe w wyniku zapadania się masywnych gwiazd. IMBH są długo poszukiwanym brakującym ogniwem w ewolucji czarnych dziur, a samo ich istnienie jest przedmiotem dyskusji, choć znaleziono kilka obiektów, które mogą nimi być.

Aby znaleźć IMBH, badacze przeanalizowali pozycje i prędkości gwiazd gromady. Dokonali tego wykorzystując wcześniejsze szacunki ruchów właściwych obiektów ze zdjęć struktury wykonanych przez Hubble’a na przestrzeni kilku lat, a także ruchy właściwe dostarczone przez obserwatorium kosmiczne ESA Gaia, które dokładnie mierzy pozycje, odległości i ruchy gwiazd. Znajomość odległości do gromady pozwoliła astronomom określić ich prędkości.

„Nasza analiza wykazała, że orbity gwiazd są prawie przypadkowe w całej gromadzie kulistej, a nie systematycznie okrągłe lub bardzo wydłużone” – wyjaśnia Mamon.

„Znaleźliśmy dowody na istnienie niewidocznej masy w gęstych centralnych regionach gromady, ale byliśmy zaskoczeni odkryciem, że ta dodatkowa masa nie jest punktowa, ale rozciąga się na kilka procent wielkości całej struktury” – twierdzi Vitral.

Jak wskazują naukowcy, ta niewidoczna masa może składać się wyłącznie z pozostałości (białych karłów, gwiazd neutronowych i czarnych dziur) masywnych gwiazd, których wewnętrzne regiony zapadły się pod wpływem własnej grawitacji po wyczerpaniu paliwa jądrowego. Gwiazdy te stopniowo opadały w kierunku centrum gromady w wyniku oddziaływań grawitacyjnych z pobliskimi, mniej masywnymi obiektami, prowadząc do niewielkiej koncentracji niewidocznej masy. Korzystając z teorii ewolucji gwiazd, astronomowie doszli do wniosku, że większość niewidocznej koncentracji składa się z czarnych dziur o masie gwiezdnej, a nie białych karłów lub gwiazd neutronowych, które są zbyt słabe, aby można je było zaobserwować.

Badania sugerują również, że pozostałości gwiezdne, a w szczególności czarne dziury o masie gwiezdnej, mogą wypełniać wewnętrzne regiony gromad kulistych.

„Nasze badanie jest pierwszym odkryciem, które podaje zarówno masę, jak i zasięg tego, co wydaje się być zbiorem głównie czarnych dziur w gromadzie kulistej ze zwiniętym rdzeniem” – podkreśla Vitral.

„Nasza analiza nie byłaby możliwa bez posiadania zarówno danych Hubble’a w celu obserwacji wewnętrznych regionów gromady, jak i danych Gaia w celu określenia kształtów orbit zewnętrznych gwiazd, które z kolei pośrednio ograniczają prędkości obiektów pierwszego planu i tła w regionach wewnętrznych” – podsumowuje Mamon.

Emil Gołoś