Astronomowie znajdują pierwszą czarną dziurę dryfującą w Drodze Mlecznej

To są czasy boomu dla astronomów polujących na czarne dziury. Największe — supermasywne czarne dziury, które mogą ważyć miliardy słońc — zostały znalezione w centrach prawie każdej galaktyki i możemy sobie nawet wyobrazić jedną. Tymczasem naukowcy rutynowo wykrywają obecnie fale grawitacyjne rozchodzące się we wszechświecie z mniejszych, łączących się czarnych dziur. Bliżej domu jesteśmy świadkami dramatycznych, niebieskich fajerwerków, które powstają, gdy supermasywna czarna dziura Drogi Mlecznej i jej mniejsi kuzyni żywią się chmurami gazu, a nawet całymi gwiazdami. Jednak nigdy wcześniej nie widzieliśmy od dawna przewidywanego zjawiska: odizolowanej czarnej dziury unoszącej się bez celu w przestrzeni kosmicznej, narodzonej i wystrzelonej z zapadającego się jądra masywnej gwiazdy.

Dotychczas.

Naukowcy ogłosili pierwsze jednoznaczne odkrycie pływającej czarnej dziury, włóczęgi wędrującej w próżni jakieś 5000 lat świetlnych od Ziemi. Wynik, który się pojawił 31 stycznia na serwerze prepress arXiv ale jeszcze nie zrecenzowany, stanowi kulminację ponad dekady gorliwej pogoni. „To bardzo ekscytujące”, mówi Marina Rejkuba z Europejskiego Obserwatorium Południowego w Niemczech, współautorka artykułu. „Możemy faktycznie udowodnić, że istnieją izolowane czarne dziury”. To odkrycie może być dopiero początkiem; Oczekuje się, że trwające badania i przyszłe misje odnajdą dziesiątki, a nawet setki mrocznych, samotnych podróżników. „To wierzchołek góry lodowej”, mówi Kareem El-Badry z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, który nie był zaangażowany w pracę.

W 1919 roku brytyjski astronom Arthur Stanley Eddington przeprowadził słynny eksperyment. Teorie szczególnej i ogólnej teorii względności Einsteina zakładały, że masywne obiekty powinny powodować wgniecenie czasoprzestrzeni poprzez zaginanie pobliskich promieni świetlnych w procesie zwanym soczewkowaniem grawitacyjnym. Eddington dowiódł, że to prawda podczas całkowitego zaćmienia Słońca, kiedy jasność Słońca została zminimalizowana, aby można było zobaczyć sąsiadujące z nim gwiazdy na niebie. Używając techniki znanej jako astrometria, dokładnie obserwował pozycje tych gwiazd przed i podczas zaćmienia, ujawniając subtelną zmianę w ich widocznych położeniach na niebie, spowodowaną zniekształceniem ich światła przez znaczne przyciąganie grawitacyjne naszej gwiazdy. „Pozorna pozycja gwiazd uległa niewielkiemu przesunięciu” – mówi Faryal Özel z University of Arizona, który również nie był zaangażowany w pracę.

W następnych dziesięcioleciach naukowcy odkryli nowe zastosowanie tej techniki. Oczekuje się, że gwiazdy o masie około 20 mas naszego Słońca utworzą czarne dziury pod koniec swojego życia, kiedy ich ciężkie jądra zapadają się pod własnym ciężarem po wyczerpaniu ich paliwa termojądrowego. Narodzinom czarnej dziury o masie gwiazdowej — kuli wielkości miasta, zawierającej dziesiątki mas naszego Słońca — często towarzyszy olśniewająca supernowa z ogromnych energii uwolnionych przez zapadnięcie się jądra. Siły te mogą być tak wielkie, że czasami wyrzucają nowonarodzoną czarną dziurę z jej łona podczas niekończącego się rejsu międzygwiezdnego. Ta kosmiczna żądza wędrówek – plus maleńkie rozmiary czarnych dziur i nieodłączna ciemność – powinna sprawić, że ich dostrzeżenie będzie prawie niemożliwe. Praca Eddingtona sugerowała jednak, że tych wyrzutków można znaleźć, obserwując ich efekty soczewkowania – zazwyczaj charakterystyczne przejściowe poświaty każdej gwiazdy tła, które czarne dziury wlatują w nasze pole widzenia. Szanse na zobaczenie takiego zdarzenia w przypadku odizolowanej czarnej dziury były niewielkie, ale biorąc pod uwagę, że miliony czarnych dziur o masach gwiazdowych dryfują w naszej galaktyce, niektóre mogą pojawić się w wystarczająco szerokich i głębokich przeglądach nieba.

Obecnie kilka projektów realizuje te i inne wydarzenia zwane mikrosoczewkowaniem, w tym Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) przeprowadzony przez Uniwersytet Warszawski w Polsce oraz przegląd Microlensing Observations in Astrophysics (MOA) przeprowadzony przez naukowców z Nowej Zelandii i Japonii. W czerwcu 2011 roku te dwa przeglądy wykryły coś wartego uwagi: nagle jasną gwiazdę odległą o 20 000 lat świetlnych, zmierzającą w kierunku gęsto upakowanego zgrubienia galaktycznego w centrum Drogi Mlecznej. Czy mogło to być zdarzenie mikrosoczewkowania spowodowane przez nieuczciwą czarną dziurę? Astronomowie pospieszyli, aby się dowiedzieć.

Wśród nich był Kailash Sahu z Space Telescope Science Institute w Baltimore, główny autor preprintu arXiv opisującego odkrycie obiektu. Używając Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, on i jego koledzy wykonali zbliżenie na gwiazdę kilka tygodni po jej jasności, a następnie powrócili do niej kilka razy w ciągu następnych sześciu lat. Byli w stanie potwierdzić, że światło gwiazdy zostało powiększone, co wskazuje na obecność niewidzialnego obiektu soczewkującego, ale znaleźli coś jeszcze ważniejszego. Widoczna pozycja gwiazdy w kosmosie zmieniła się nieznacznie. Efekt był „1000 razy mniejszy niż to, co zmierzył Eddington”, mówi Sahu, i był bliski granic możliwości Hubble’a. Coś ukrytego wzmocniło i zniekształciło światło gwiazd. Najlepszy kandydat? Niewidzialna czarna dziura o masie gwiazdy, 7,1 masy naszego Słońca.

„Nie było innej możliwości niż czarna dziura” – mówi Sahu. Aby to potwierdzić, potrzebne były dwie rzeczy. „Pierwszym kryterium było to, że z obiektywu nie powinno wydobywać się światło”, mówi Sahu, aby wykluczyć bardziej prozaiczne obiekty, takie jak niesprawna gwiazda znana jako brązowy karzeł. Po drugie, efekt powiększenia musi trwać długo, biorąc pod uwagę rozległy rozmiar grawitacyjnej sfery wpływu czarnej dziury. Trwająca około 300 dni impreza z czerwca 2011 roku doszła do skutku. „To bardzo dokładna i uważna analiza”, mówi El-Badry. „Zrobili należytą staranność”.

Ilość soczewkowania i odchylania światła gwiazdy pozwoliła Sahu i jego współpracownikom ustalić masę przypuszczalnej czarnej dziury na nieco ponad siedem mas Słońca. To stawia go „w środku” tego, czego oczekiwalibyśmy od czarnych dziur o masie gwiazdowej, mówi Özel. Zespół był również w stanie obliczyć jego prędkość. „Pracuje z prędkością około 45 kilometrów na sekundę”, mówi Sahu. To stosunkowo szybko w porównaniu z pobliskimi gwiazdami – dokładnie tego, czego można by się spodziewać, gdyby czarna dziura została wyrzucona przez masywną umierającą gwiazdę. Nie jest jasne, kiedy to wydarzenie miałoby miejsce, ale „może to być coś blisko 100 milionów ludzi”. [years ago]”, mówi Sahu. „Nie możemy tak naprawdę powiedzieć, ponieważ nie wiemy dokładnie, skąd się to wzięło”.

Nie jest to jednak pierwszy obserwacyjny ślad mikrosoczewkowania w czarnych dziurach o masach gwiazdowych; kilku innych kandydatów przed tym. Tym, co jest teraz inne, jest pomyślny pomiar odchylenia grawitacyjnego światła gwiazd od obiektu soczewkującego, a nie tylko jego wzmocnienie, co pozwala na ostateczne założenie masy obiektu soczewkującego – a tym samym jego prawdziwej natury. „Wcześniej wykrywano kandydatów na czarne dziury, ale nie mieli takich pomiarów astrometrycznych” – mówi David Bennett z NASA Goddard Space Flight Center, współautor wraz z Sahu i innymi autorami dokumentu odkrywczego. „Ta technika najlepiej sprawdza się w przypadku izolowanych czarnych dziur o masach gwiazdowych. To pierwsza taka próba. Wszystkie czarne dziury, które zostały znalezione wcześniej, zostały znalezione, ponieważ są nie odosobniony.”

Masa tej czarnej dziury dostarcza dalszych dowodów na to, że modele powstawania astrofizyków są poprawne — że samotne czarne dziury mogą powstawać z popiołów szczególnie silnych gwiezdnych przodków. Możliwe jednak, że te czarne dziury mogą również powstawać w układach podwójnych, zanim staną się nomadami w próżni. W przypadku tego konkretnego obiektu nie można z całą pewnością stwierdzić, która historia powstania miała miejsce. Pewne jest jednak to, że znalezienie bardziej odizolowanych czarnych dziur pozwoli naukowcom na bardziej szczegółowe badanie i udoskonalanie tych modeli. „Nigdy nie byliśmy w stanie samodzielnie badać czarnych dziur” — mówi Özel. „Więc ten nowy sposób ich znajdowania i określania ich masy jest zdecydowanie ekscytujący. Czy formują się inaczej? Czy ich masowa dystrybucja jest inna?”

Odpowiedzi na te pytania mogą pojawić się wkrótce. Teleskop Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej mapuje obecnie pozycje miliardów gwiazd w naszej Drodze Mlecznej. W 2025 roku naukowcy uczestniczący w projekcie opublikują dane dotyczące soczewek ze swoich obserwacji, które powinny zawierać dowody na to, że o wiele więcej singletonów o masie gwiazdowej krąży w naszej galaktyce. „Dane z Gai będą podobnej, a nawet lepszej jakości niż te z Hubble’a” – mówi Łukasz Wyrzykowski z Uniwersytetu Warszawskiego, współautor najnowszego artykułu odkrywczego, który również poluje na nieuczciwe czarne dziury za pomocą Gai. Szacuje, że nadchodzące dane dotyczące obiektywów będą zawierać dziesiątki dodatkowych kandydatów.

Obserwatorium Vera C. Rubin w Chile, które w przyszłym roku ma rozpocząć 10-letnie badanie nocnego nieba, ma również zbierać własne zbiory nieuczciwych czarnych dziur, podobnie jak rzymski Teleskop Kosmiczny Nancy Grace NASA, który ma wystrzelone w 2027 roku. Rubin i Roman mają bardzo szerokie pola widzenia, dzięki czemu każdy z nich może uchwycić rozgwieżdżone panoramiczne widoki, w których musi się ukrywać duża liczba pływających czarnych dziur. „Oczekuje się, że te dane tam będą”, mówi El-Badry. „Mam nadzieję, że [Rubin and Roman] będzie w stanie zmierzyć to przesunięcie astrometryczne dla wielu [stars]”.

Na razie to ponure odkrycie przepowiada świetlaną przyszłość dla poszukiwań. Nieuczciwe czarne dziury o masie gwiazdowej, od dawna przewidywane, ale dopiero teraz potwierdzone przez obserwacje, mogą być wystarczająco powszechne w naszej galaktyce, aby wspierać badania demograficzne ich populacji. Określenie jego prawdziwej obfitości, mas i innych właściwości może wzmocnić nasze wciąż niekompletne teorie ewolucji gwiazd – lub ujawnić ważne nowe luki w naszym zrozumieniu. – Na to odkrycie czekaliśmy od wielu, wielu lat – mówi Wyrzykowski. „To pokazuje, że ta metoda działa. Mikrosoczewkowanie grawitacyjne to sposób na znalezienie tych izolowanych czarnych dziur”.