Astronomi zaznali prvo prosto lebdečo črno luknjo

Astronomi so po vsej verjetnosti odkrili prosto lebdečo črno luknjo. Kako jim je to uspelo?  Z opazovanjem svetlejše oddaljene zvezde, ko je njeno svetlobo popačilo močno gravitacijsko polje objekta. To je omogočilo najdbo prve prosto lebdeče črne luknje, a vse še vedno visi v zraku. Kako je prišlo do tega in do katerih sorodnih ugotovitev so astronomi še prišli?

Novo odkritje črne luknje, ki je prva v taki obliki

Črne luknje so po svoji naravi nevidne, razen če so del dvojne zvezde ali jih obdaja akrecijski disk. Večina črnih lukenj zvezdne velikosti ni, vendar jih astronomi iščejo s pomočjo gravitacijskega mikrolensinga, ko črna luknja osvetli in popači svetlobo zvezd proti galaktičnemu središču. Ekipa pod vodstvom univerze Berkeley je morda našla prvo prosto lebdečo črno luknjo, čeprav je za izključitev nevtronske zvezde potrebnih več podatkov.

Če, kot menijo astronomi, po smrti velikih zvezd ostanejo črne luknje, bi jih moralo biti po galaksiji Mlečna cesta razpršenih na stotine milijonov. Težava je v tem, da so izolirane črne luknje nevidne.

Skupina astronomov pod vodstvom Univerze Kalifornije v Berkeleyju je zdaj prvič odkrila, kaj bi lahko bila prosto lebdeča črna luknja, in sicer tako, da je opazovala svetlejšo svetlobo bolj oddaljene zvezde, ki jo je popačilo močno gravitacijsko polje objekta – tako imenovani gravitacijski mikrolensing.

Ekipa, ki sta jo vodila podiplomska študentka Casey Lam in Jessica Lu, izredna profesorica astronomije na univerzi Berkeley, je ocenila, da je masa nevidnega kompaktnega objekta med 1,6 in 4,4-krat večja od mase Sonca. Ker astronomi menijo, da mora biti ostanek odmrle zvezde težji od 2,2 Sončeve mase, da bi se lahko sesul v črno luknjo, raziskovalci z univerze UC Berkeley opozarjajo, da bi bil objekt lahko nevtronska zvezda in ne črna luknja. Nevtronske zvezde so prav tako gosti, zelo kompaktni objekti, vendar je njihova gravitacija uravnotežena z notranjim nevtronskim pritiskom, ki preprečuje nadaljnje sesedanje v črno luknjo.

Ali je prosto lebdeča črna luknja le zvezdni duh?

Ne glede na to, ali gre za črno luknjo ali nevtronsko zvezdo, je objekt prvi temni zvezdni ostanek – zvezdni duh –, ki so ga odkrili, ko se je sprehajal po galaksiji brez para z drugo zvezdo.

»To je prva prosto lebdeča črna luknja ali nevtronska zvezda, odkrita s pomočjo gravitacijskega mikrolensinga,« je dejala Lu. »Z mikrolensingom lahko preučimo te samotne, kompaktne objekte in jih stehtamo. Mislim, da smo odprli novo okno v te temne objekte, ki jih ni mogoče videti na noben drug način.«

Določitev števila teh kompaktnih objektov v Mlečni cesti bo astronomom pomagala razumeti evolucijo zvezd – zlasti kako umirajo – in naše galaksije, morda pa bo razkrila tudi, ali je katera od nevidnih črnih lukenj prvotna črna luknja, ki je po mnenju nekaterih kozmologov v velikih količinah nastala med velikim pokom.

Analiza, ki so jo opravili Lam, Lu in njihova mednarodna ekipa, je bila sprejeta za objavo v reviji The Astrophysical Journal Letters. Analiza vključuje še štiri druge dogodke mikrolensinga, za katere je ekipa ugotovila, da jih ni povzročila črna luknja, čeprav je dva verjetno povzročila bela pritlikavka ali nevtronska zvezda. Ekipa je tudi ugotovila, da je verjetna populacija črnih lukenj v galaksiji 200 milijonov – približno toliko, kot je predvidevala večina teoretikov.

Enaki podatki, različni zaključki o črni luknji

Pomembno je, da je konkurenčna ekipa z znanstvenega inštituta Space Telescope Science Institute (STScI) v Baltimoru analizirala isti dogodek mikrolensinga in trdi, da je masa kompaktnega objekta bližje 7,1 mase Sonca in da gre nedvomno za črno luknjo. Članek, v katerem je opisana analiza ekipe STScI, ki jo je vodil Kailash Sahu, je bil sprejet za objavo v reviji The Astrophysical Journal.

Obe ekipi sta uporabili iste podatke: fotometrične meritve svetlosti oddaljene zvezde, ko je njeno svetlobo popačilo superkompaktno telo, in astrometrične meritve premika položaja oddaljene zvezde na nebu zaradi gravitacijskega popačenja, ki ga je povzročilo lečeče telo. Fotometrični podatki so bili pridobljeni v dveh raziskavah mikrolensinga: Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE), ki uporablja 1,3-metrski teleskop v Čilu in ga upravlja Univerza v Varšavi, ter Microlensing Observations in Astrophysics (MOA), ki je nameščen na 1,8-metrskem teleskopu na Novi Zelandiji ter ga upravlja Univerza Osaka. Astrometrični podatki so bili pridobljeni z Nasinim vesoljskim teleskopom Hubble. STScI vodi znanstveni program za teleskop in izvaja njegove znanstvene operacije.

Ker sta obe raziskavi mikrolensinga ujeli isti objekt, ima ta dve imeni: MOA-2011-BLG-191 in OGLE-2011-BLG-0462 ali krajše OB110462.

Takšne raziskave sicer vsako leto v galaksiji Mlečne ceste odkrijejo približno 2000 zvezd, ki jih je osvetlila mikrolensing, vendar sta ekipi z dodatnimi astrometričnimi podatki določili maso kompaktnega objekta in njegovo oddaljenost od Zemlje. Ekipa pod vodstvom univerze Berkeley je ocenila, da leži med 2280 in 6260 svetlobnih let, v smeri središča Mlečne ceste in blizu velike izbokline, ki obdaja osrednjo masivno črno luknjo galaksije.

Skupina STScI je ocenila, da leži približno 5153 svetlobnih let stran.

Iskanje igle v kopici sena

Lu in Lam sta se za objekt prvič začeli zanimati leta 2020, potem ko je ekipa STScI začasno ugotovila, da petih dogodkov mikrolensinga, ki jih je opazoval Hubble – vsi so trajali več kot 100 dni in bi torej lahko bili črne luknje – morda vendarle niso povzročili kompaktni objekti.

Lu, ki od leta 2008 išče prosto lebdeče črne luknje, je menila, da ji bodo podatki pomagali bolje oceniti njihovo številčnost v galaksiji, ki je bila v grobem ocenjena na 10 milijonov do 1 milijardo. Doslej so bile črne luknje zvezdne velikosti najdene le kot del dvojnih zvezdnih sistemov. Črne luknje v dvojnih zvezdah so vidne v rentgenskih žarkih, ki nastanejo, ko snov iz zvezde pade na črno luknjo, ali pa z nedavnimi detektorji gravitacijskega valovanja, ki so občutljivi na združitve dveh ali več črnih lukenj. Vendar so ti dogodki redki.

Raziskovalki nista videli nobenih črnih lukenj

»S Caseyjem sva videli podatke in postalo nama je zelo zanimivo. Rekli sva si: »Vau, nobenih črnih lukenj. To je neverjetno,« čeprav bi morale biti,« je dejala Lu. »In tako sva začela preučevati podatke. Če v podatkih res ne bi bilo črnih lukenj, se to ne bi ujemalo z našim modelom, koliko črnih lukenj bi moralo biti v galaksiji. Nekaj bi se moralo spremeniti v našem razumevanju črnih lukenj – bodisi njihovo število bodisi hitrost njihovega gibanja bodisi njihove mase.«

Ko je Lam analizirala fotometrijo in astrometrijo petih dogodkov mikrolensinga, jo je presenetilo, da je imel eden od njih, OB110462, značilnosti kompaktnega objekta. Objekt v leči se je zdel temen in torej ni zvezda; zvezdna svetlost je trajala dolgo, skoraj 300 dni, in tudi popačenje položaja zvezde v ozadju je bilo dolgotrajno.

Približno 40 odstotkov dogodkov mikrolensinga

Lam je dejala, da je bila dolžina pojava leč najboljša iztočnica. Leta 2020 je pokazala, da je najboljši način za iskanje mikroobjektivov črnih lukenj iskanje zelo dolgih dogodkov. Po njenih besedah je le en odstotek zaznavnih dogodkov mikrolensinga verjetno posledica črnih lukenj, zato bi bilo iskanje vseh dogodkov podobno iskanju igle v kopici sena. Vendar je Lam izračunala, da je približno 40 odstotkov dogodkov mikrolensinga, ki trajajo več kot 120 dni, verjetno posledica črnih lukenj.

»Kako dolgo traja dogodek svetlenja, namiguje na to, kako masivna je leča v ospredju, ki upogiba svetlobo zvezde v ozadju,« je dejala Lam. »Dolgi dogodki so bolj verjetno posledica črnih lukenj. Vendar pa to ni zagotovilo, saj trajanje pojava svetlosti ni odvisno le od tega, kako masivna je leča v ospredju, ampak tudi od tega, kako hitro se leča v ospredju in zvezda v ozadju gibljeta druga glede na drugo. Vendar pa lahko z meritvami navideznega položaja zvezde v ozadju potrdimo, ali je leča v ospredju res črna luknja.«

Po besedah Lu je bil gravitacijski vpliv OB110462 na svetlobo zvezde v ozadju neverjetno dolg. Trajalo je približno eno leto, da je zvezda zasijala do vrhunca leta 2011, nato pa je približno eno leto trajalo, da se je ponovno zatemnila.

Več podatkov bo omogočilo razlikovanje med črno luknjo in nevtronsko zvezdo

Da bi potrdila, da je OB110462 povzročil zelo kompakten objekt, sta Lu in Lam zaprosili za več astrometričnih podatkov iz Hubbla, ki so prispeli oktobra lani. Ti novi podatki so pokazali, da je sprememba položaja zvezde zaradi gravitacijskega polja leče še vedno opazna 10 let po dogodku. Nadaljnja Hubblova opazovanja mikroleče so predvidena za jesen 2022.

Analiza novih podatkov je potrdila, da je OB110462 verjetno črna luknja ali nevtronska zvezda

Lu in Lam sumita, da so različni zaključki obeh ekip posledica dejstva, da astrometrični in fotometrični podatki različno merijo relativno gibanje objektov v ospredju in ozadju. Tudi astrometrična analiza se med obema ekipama razlikuje. Ekipa pod vodstvom univerze Berkeley trdi, da še ni mogoče razločiti, ali je objekt črna luknja ali nevtronska zvezda, vendar upajo, da bodo v prihodnosti z več podatki Hubbla in izboljšano analizo razrešili neskladje.

»Čeprav bi radi dokončno rekli, da gre za črno luknjo, moramo poročati o vseh dovoljenih rešitvah. To vključuje črne luknje z manjšo maso in morda celo nevtronsko zvezdo,« je dejala Lu.

»Če ne morete verjeti svetlobni krivulji, svetlosti, potem to pove nekaj pomembnega. Če ne morete verjeti položaju v primerjavi s časom, to pove nekaj pomembnega,« je dejala Lam. »Če je torej ena od njih napačna, moramo razumeti, zakaj. Ali pa je druga možnost, da je to, kar merimo v obeh podatkovnih nizih, pravilno, vendar je naš model napačen. Podatki fotometrije in astrometrije izhajajo iz istega fizikalnega procesa, kar pomeni, da morata biti svetlost in položaj skladna drug z drugim. Torej nekaj manjka.«

Obe ekipi sta ocenili tudi hitrost superkompaktnega objekta, ki je bil predmet leče. Ekipa Lu/Lam je ugotovila razmeroma majhno hitrost, manj kot 30 km/s. Ekipa STScI je ugotovila nenavadno veliko hitrost, 45 km/s, ki jo je interpretirala kot posledico dodatnega udarca, ki ga je domnevna črna luknja dobila od supernove, ki jo je ustvarila.

Lu razlaga, da bi lahko majhna hitrost, ki jo je ocenila njena ekipa, potrdila novo teorijo, da črne luknje niso posledica supernov – kar je danes prevladujoča domneva –, temveč so posledica neuspešnih supernov, ki v vesolju ne povzročijo svetlega pljuska ali pa črni luknji, ki nastane, ne dajo dodatnega zagona.

Tilen Kemperle

Novinar