Układ zaobserwowany w odległości 8000 lat świetlnych może być pierwszym bezpośrednim dowodem „łagodnego” formowania się czarnych dziur.
Wiele wykrytych do tej pory czarnych dziur wydaje się być częścią pary. Te układy podwójne składają się z czarnej dziury i obiektu wtórnego – takiego jak gwiazda, znacznie gęstsza gwiazda neutronowa lub inna czarna dziura – które wirują wokół siebie, przyciągane przez grawitację czarnej dziury, tworząc ciasną orbitalną parę.
Zaskakujące odkrycie poszerza obraz czarnych dziur, obiektów, które mogą w sobie zawierać, i sposobu, w jaki powstają.
W badaniach, których wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature 23 października 2024 roku, fizycy z MIT i Caltech donoszą, że po raz pierwszy zaobserwowali „potrójną czarną dziurę”. Nowy układ składa się z centralnej czarnej dziury pochłaniającej małą gwiazdę, która krąży po spirali bardzo blisko czarnej dziury, co 6,5 dnia – konfiguracja podobna do większości układów podwójnych. Zaskakujące jest jednak to, że druga gwiazda również okrąża czarną dziurę, choć w znacznie większej odległości. Fizycy szacują, że ten odległy towarzysz okrąża czarną dziurę co 70 000 lat.
Fakt, że czarna dziura wydaje się mieć grawitacyjny wpływ na tak odległy obiekt, rodzi pytania o pochodzenie samej czarnej dziury. Uważa się, że czarne dziury powstają w wyniku gwałtownej eksplozji umierającej gwiazdy – procesu znanego jako supernowa, w którym gwiazda uwalnia ogromną ilość energii i światła w końcowym wybuchu, zanim zapadnie się w niewidzialną czarną dziurę.
Odkrycie zespołu 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 więc nadal się tam znajdować.
Zamiast tego zespół podejrzewa, że czarna dziura powstała w wyniku łagodniejszego procesu „bezpośredniego zapadnięcia”, w którym gwiazda po prostu zapada się w sobie, tworząc czarną dziurę bez ostatniego dramatycznego błysku. Takie łagodne pochodzenie raczej nie zakłóciłoby żadnych luźno związanych, odległych obiektów.
Ponieważ nowy układ potrójny zawiera bardzo odległą gwiazdę, sugeruje to, że czarna dziura tego układu powstała w wyniku łagodniejszego, bezpośredniego zapadania się. Podczas gdy astronomowie od wieków obserwują bardziej gwałtowne supernowe, zespół twierdzi, 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 zakwestionować – powiedział autor badania Kevin Burdge, stypendysta Pappalardo na Wydziale Fizyki MIT. Ten układ jest bardzo ekscytujący dla ewolucji czarnych dziur, a także rodzi pytania, czy istnieje więcej potrójnych czarnych dziur.
Ruch tandemowy
Odkrycie potrójnej czarnej dziury nastąpiło niemal przypadkowo. Fizycy znaleźli ją, przeglądając Aladin Lite, repozytorium obserwacji astronomicznych, zebranych z teleskopów w kosmosie i na całym świecie. Astronomowie mogą korzystać z narzędzia online do wyszukiwania obrazów tej samej części nieba, wykonanych przez różne teleskopy, które są dostrojone do różnych długości fal energii i światła.
Zespół szukał w galaktyce Drogi Mlecznej oznak nowych czarnych dziur. Z ciekawości Burdge przejrzał obraz V404 Cygni – czarnej dziury znajdującej się około 8000 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 donosiło o tym, co zaobserwował Burdge i jego koledzy.
Przyglądając się obrazom optycznym V404 Cygni, Burdge dostrzegł coś, co wyglądało jak dwie plamy światła, zaskakująco blisko siebie. Pierwsza plama była tym, co inni określają jako czarną dziurę i wewnętrzną, blisko rotującą gwiazdę. Gwiazda znajduje się tak blisko, że zrzuca część swojej materii na czarną dziurę i emituje światło, które widział Burdge. Druga plama światła była jednak czymś, czego naukowcy nie zbadali dokładnie, aż do teraz. Burdge ustalił, że to drugie światło najprawdopodobniej pochodzi z bardzo odległej gwiazdy.
Fakt, że możemy zobaczyć dwie oddzielne gwiazdy na tak dużej odległości oznacza, że gwiazdy muszą być naprawdę bardzo daleko od siebie – powiedział Burdge, który obliczył, że zewnętrzna gwiazda znajduje się 3500 jednostek astronomicznych (j.a.) od czarnej dziury. 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.
Pojawiło się pytanie, 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. Zespół przeanalizował ruchy wewnętrznej i zewnętrznej gwiazdy w ciągu ostatnich 10 lat i odkrył, że gwiazdy poruszały się dokładnie w tandemie, w porównaniu do innych sąsiednich gwiazd. Obliczono, że prawdopodobieństwo wystąpienia tego rodzaju ruchu tandemowego wynosi około 1 na 10 milionów.
To prawie na pewno nie jest zbieg okoliczności ani przypadek – powiedział Burdge. Widzimy dwie gwiazdy, które podążają za sobą, ponieważ są połączone słabym łańcuchem grawitacyjnym. Więc to musi być układ potrójny.
Pociąganie za sznurki
Jak zatem mógł powstać ten układ? Gdyby czarna dziura powstała z typowej supernowej, gwałtowna eksplozja już dawno odrzuciłaby zewnętrzną gwiazdę.
Aby przetestować ten pomysł, Burdge przeprowadził symulacje, aby zobaczyć, jak taki potrójny układ mógł ewoluować i zachować zewnętrzną gwiazdę.
Na początku każdej symulacji wprowadził trzy gwiazdy. Następnie przeprowadził dziesiątki tysięcy symulacji, z których każda zawierała nieco inny scenariusz tego, w jaki sposób trzecia gwiazda mogła stać się czarną dziurą, a następnie wpłynąć na ruchy pozostałych dwóch gwiazd. Na przykład symulował supernową, zmieniając ilość i kierunek emitowanej przez nią energii. Symulował również scenariusze bezpośredniego zapadania się, w których trzecia gwiazda po prostu zapadała się, tworząc czarną dziurę, bez emitowania energii.
Zdecydowana większość symulacji pokazuje, że najłatwiejszym sposobem na osiągnięcie tego potrójnego efektu jest bezpośredni kolaps – powiedział Burdge.
Oprócz dostarczenia wskazówek dotyczących pochodzenia czarnej dziury, zewnętrzna gwiazda ujawniła również wiek układu. Fizycy zaobserwowali, że zewnętrzna gwiazda jest w trakcie przekształcania się w czerwonego olbrzyma – fazę, która występuje pod koniec życia gwiazdy. Na podstawie tej gwiezdnej przemiany zespół ustalił, że zewnętrzna gwiazda ma około 4 miliardy lat. Biorąc pod uwagę, że sąsiednie gwiazdy rodzą się mniej więcej w tym samym czasie, zespół doszedł do wniosku, że potrójna czarna dziura ma również 4 miliardy lat.
Nigdy wcześniej nie udało nam się tego zrobić w przypadku starej czarnej dziury – powiedział Burdge. Dzięki temu odkryciu wiemy, że V404 Cygni jest częścią układu potrójnego, mogła powstać w wyniku zapadnięcia się i uformowała się około 4 miliardy lat temu.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
MIT
