Odkryto potrójny układ z czarną dziurą

Astronomom udało się zaobserwować układ potrójny z czarną dziurą. Składa się on z niezwykle gęstego obiektu i dwóch gwiazd orbitujących wokół niego i może być dowodem na to, że czarne dziury mogą powstawać przez łagodne zapadanie się gwiazd, a nie tylko przez supernowe.

Wiele wykrytych do tej pory czarnych dziur wydaje się być częścią pary. Te układy podwójne, jak tłumaczą naukowcy, składają się z czarnej dziury i obiektu wtórnego – takiego jak gwiazda, gwiazda neutronowa lub inna czarna dziura – które obracają się wokół siebie, przyciągane przez grawitację czarnej dziury, tworząc bliską parę orbitalną.

Nowe badanie opublikowane w czasopiśmie Nature, przeprowadzone przez astronomów z Massachusetts Institute of Technology (MIT) i California Institute of Technology (Caltech) wskazuje, że po raz pierwszy odkryto układ potrójny z czarną dziurą. V404 Cygnus – wykryta czarna dziura – i jej gwiezdni towarzysze poszerzają wiedzę na temat tych niezwykle gęstych obiektów i ich powstawania.

Nowy układ potrójny z czarną dziurą dziurą składa się z centralnej czarnej dziury pochłaniającej małą gwiazdę, która orbituje spiralnie bardzo blisko niej – co 6,5 dnia, jest to konfiguracja podobna do większości układów podwójnych. Zaskakujące jest jednak zdaniem astronomów, to, że druga gwiazda również krąży wokół czarnej dziury, choć w znacznie większej odległości. Fizycy szacują, że ten odległy towarzysz okrąża czarną dziurę co 70 tysięcy lat.

Fakt, że czarna dziura wydaje się mieć grawitacyjny wpływ na tak odległy obiekt, rodzi pytania o jej pochodzenie. Naukowcy uważają, że czarne dziury powstają w wyniku gwałtownej eksplozji umierającej gwiazdy – procesu znanego jako supernowa, w którym gwiazda uwalnia ogromną ilość energii w końcowej eksplozji, zanim zapadnie się w czarną dziurę.

Odkrycie, zdaniem badaczy, sugeruje jednak, że gdyby nowo zaobserwowana czarna dziura powstała w wyniku typowej supernowej, energia, którą uwolniłaby przed zapadnięciem się, odrzuciłaby wszelkie luźno związane obiekty na jej obrzeżach. Druga, zewnętrzna gwiazda nie powinna zatem nadal istnieć.

Zamiast tego astronomowie podejrzewają, że czarna dziura powstała w wyniku łagodniejszego procesu „bezpośredniego zapadania się”, w którym gwiazda po prostu zapada się w siebie, tworząc czarną dziurę bez końcowego dramatycznego błysku. Takie „łagodne zapadanie się” raczej nie zakłóciłoby orbity żadnych luźno związanych grawitacyjnie odległych obiektów.

Ponieważ nowy układ potrójny z czarną dziurą zawiera bardzo odległą gwiazdę, sugeruje to, jak twierdzą naukowcy, że najgęstszy obiekt tego układu powstał w wyniku łagodniejszego, bezpośredniego zapadania się. Podczas gdy astronomowie od stuleci obserwują bardziej gwałtowne supernowe, nowe badanie wskazuje, że nowy układ potrójny może być pierwszym dowodem na istnienie czarnej dziury, która powstała w wyniku tego łagodniejszego procesu.

„Uważamy, że większość czarnych dziur powstaje w wyniku gwałtownych eksplozji gwiazd, ale to odkrycie pomaga to podważyć. Ten system jest bardzo ekscytujący z punktu widzenia ewolucji czarnych dziur, a także rodzi pytania o to, czy istnieje więcej takich potrójnych systemów” – mówi Kevin Burdge z MIT.

Układ potrójny z czarną dziurą został odkryty praktycznie przez przypadek. Fizycy znaleźli go podczas przeglądania Aladin Lite, repozytorium obserwacji astronomicznych zebranych z kosmicznych teleskopów i naziemnych na całym świecie. Astronomowie mogą korzystać z narzędzia online do wyszukiwania obrazów tej samej części nieba wykonanych przez różne urządzenia, które są dostrojone do różnych długości fal energii i światła.

Badacze poszukiwali oznak nowych czarnych dziur w galaktyce Drogi Mlecznej. Z ciekawości przejrzeli się obrazowi V404 Cygni, czarnej dziury znajdującej się około 8 tysięcy lat świetlnych od Ziemi, która była jednym z pierwszych obiektów potwierdzonych jako czarna dziura w 1992 roku.

Od tego czasu V404 Cygni stała się jedną z najlepiej zbadanych czarnych dziur i została udokumentowana w ponad 1300 pracach naukowych. Jednak żadne z tych badań nie sugerowało, że wchodzi ona w skład układu potrójnego.

Analizując obrazy optyczne V404 Cygni, astronomowie zauważył coś, co wyglądało jak dwie plamy światła, zaskakująco blisko siebie. Pierwsza plamka była tym, co inni opisali jako czarną dziurę i wewnętrzną, blisko orbitującą gwiazdę. Gwiazda znajduje się tak blisko, że zrzuca część swojej materii na czarną dziurę i emituje światło. Druga plama światła była jednak czymś, czego naukowcy do tej pory dokładnie nie zbadali. To drugie źródło, jak ustalili naukowcy, najprawdopodobniej pochodziło z bardzo odległej gwiazdy.

„Fakt, że możemy zobaczyć dwie oddzielne gwiazdy w tak dużej odległości oznacza, że gwiazdy muszą być naprawdę bardzo daleko od siebie. Zewnętrzna gwiazda znajduje się 3500 jednostek astronomicznych (AU) od czarnej dziury (1 AU to odległość między Ziemią a Słońcem). Innymi słowy, zewnętrzna gwiazda znajduje się 3500 razy dalej od czarnej dziury niż Ziemia od Słońca. Jest to również 100 razy więcej niż odległość między Plutonem a Słońcem” – podkreśla Burdge.

Przez to badacze zaczęli zastanawiać się, czy zewnętrzna gwiazda jest powiązana z czarną dziurą i jej wewnętrzną gwiazdą. Aby odpowiedzieć na to pytanie, naukowcy zwrócili się do satelity Gaia, który od 2014 roku precyzyjnie śledzi ruchy wszystkich gwiazd w galaktyce.

Astronomowie przeanalizowali ruchy wewnętrznej i zewnętrznej gwiazdy w ciągu ostatnich 10 lat danych zebranych przez Gaia i odkryli, że gwiazdy poruszały się dokładnie w tandemie, w porównaniu do innych sąsiednich obiektów. Obliczyli, że prawdopodobieństwo tego rodzaju ruchu wynosi około 1 na 10 milionów.

Astrofizycy zastanawiali się jak mógł powstać ten układ potrójny z czarną dziurą. Gdyby czarna dziura powstała z typowej supernowej, gwałtowna eksplozja wyrzuciłaby zewnętrzną gwiazdę. Badacze przeprowadził symulacje, aby zobaczyć, jak taki potrójny układ mógłby ewoluować i zachować obu towarzyszy.

Na początku każdej symulacji naukowcy wprowadzili trzy gwiazdy (trzecia była obiektem, z którego powstała obserwowana czarna dziura). Następnie przeprowadzili dziesiątki tysięcy prób, z których każda zawierała nieco inny scenariusz tego, jak trzecia gwiazda mogłaby stać się czarną dziurą, a następnie wpłynąć na ruchy pozostałych dwóch towarzyszy.

Symulowano nawet supernową, zmieniając ilość i kierunek emitowanej przez nią energii. Analizowano również scenariusze bezpośredniego kolapsu, w których trzecia gwiazda po prostu zapadała się, tworząc czarną dziurę, bez uwalniania energii.

„Zdecydowana większość symulacji pokazuje, że prawdopodobnym sposobem powstania tego potrójnego ukłądu jest bezpośrednie zapadnięcie się” – zaznacza Burdge.

Oprócz wskazówek dotyczących pochodzenia czarnej dziury, zewnętrzna gwiazda ujawniła również wiek układu. Fizycy zaobserwowali, że jest ona w trakcie przekształcania się w czerwonego olbrzyma – fazę, która występuje pod koniec życia gwiazdy. Na podstawie tej gwiezdnej transformacji astronomowie ustalili, że zewnętrzna gwiazda ma około 4 miliardy lat. Biorąc pod uwagę, że sąsiednie gwiazdy rodzą się mniej więcej w tym samym czasie, astronomowie doszli do wniosku, że układ potrójny z czarną dziurą ma również około 4 miliardy lat.

„Nigdy wcześniej nie odkryliśmy czegoś takiego. Teraz wiemy, że V404 Cygni jest częścią układu potrójnego, mogła powstać w wyniku bezpośredniego zapadnięcia się i najpewniej powstała około 4 miliardy lat temu” – podsumowuje Burdge.

Emil Gołoś