Pułapki grawitacyjne w kosmosie, czarne dziury, występują w różnych rozmiarach. A dokładniej, różne masy, ponieważ wszystkie są nieskończenie małe. Pierwsza odkryta czarna w 1971 roku miała masę 21 razy większą od masy Słońca. Powstał w wyniku eksplozji i kolapsu gwiazdy. Przykłady zupełnie innej klasy czarnych dziur zostały zidentyfikowane w latach 1960-1970. Ważyły miliony do miliardów mas Słońca. Podobnie jak wszystkie supermasywne czarne dziury, znajdują się w centrach głównych galaktyk.
Tak więc czarne dziury mogą być super-duże lub super-małe. Brakującym ogniwem jest czarna o masie pośredniej, ważąca około 100 do 1 mas Słońca. Kilka z nich znaleziono w innych galaktykach. Być może są na drodze do przekształcenia się w supermasywne czarne.
Jądra gromad kulistych gwiazd są terenem łowieckim dla czarnych dziur o masie pośredniej. Są mniejsze od galaktyk i powinny mieć odpowiednio mniejsze czarne dziury. Ponad 150 z tych zbiorów setek tysięcy gwiazd w kształcie śnieżnej kuli krąży wokół naszej galaktyki Drogi Mlecznej, niczym sztuczne satelity wirujące wokół Ziemi. Poszukiwania otworów tylnych o masie pośredniej w tych gromadach były nieuchwytne. Podejrzewana centralna czarna dziura nie może być oczywiście bezpośrednio obserwowana. Astronomowie zbierają poszlaki, obserwując gwiazdy rojące się wokół czarnej dziury. Na podstawie ich prędkości niewidzialną masę centralną można obliczyć za pomocą prostych praw fizyki Newtona.
Śledzenie gwiazd to skrupulatna praca, która została wycięta dla ostrej rozdzielczości i długowieczności Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Astronomowie przeglądający ponad dekadę obserwacji za pomocą Hubble’a pobliskiej gromady kulistej Messier 4 obliczyli, że istnieje bardzo gęsty obiekt centralny o masie około 800 mas Słońca. Jest tak zwarta, że obserwacje wydają się wykluczać alternatywne teorie na temat tego, co dzieje się w sercu gromady.
Astronomowie korzystający z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a przedstawili to, co uważają za jedne z najlepszych dowodów na obecność rzadkiej klasy czarnych “średniej wielkości”, które mogą się w sercu najbliższej kulistej gromady gwiazd względem Ziemi, znajdującej się 6 lat świetlnych stąd.
Podobnie jak intensywne grawitacyjne w strukturze kosmicznej, praktycznie wszystkie czarne wydają się występować w dwóch rozmiarach: małym i ogromnym. Szacuje się, że nasza galaktyka jest zaśmiecona 100 milionami małych czarnych (kilka razy masywniejszych od masy Słońca) utworzonych z eksplodujących gwiazd. Cały wszechświat jest zalany supermasywnymi czarnymi, ważącymi miliony lub miliardy mas Słońca i znajdującymi się w centrach galaktyk.
Długo poszukiwanym brakującym ogniwem jest czarna o masie pośredniej, ważąca od 100 do 100 000 mas Słońca. Jak powstają, gdzie będą spędzać czas i dlaczego wydają się być tak rzadkie?
Astronomowie mają zidentyfikował inne możliwe czarne dziury o masie pośredniej poprzez różnorodne techniki obserwacyjne. Dwaj najlepsi kandydaci — 3XMM J215022.4−055108, którą Hubble pomógł odkryć w 2020 roku, oraz HLX-1, zidentyfikowana w 2009 roku, znajdują się w gęstych gromadach gwiazd na obrzeżach innych galaktyk. Każda z tych możliwych czarnych dziur ma masę dziesiątek tysięcy Słońc i mogła kiedyś znajdować się w centrach galaktyk karłowatych. Obserwatorium rentgenowskie Chandra pomogło również dokonać wielu możliwych pośrednich odkryć czarnych, w tym duża próba w 2018 roku.
Patrząc znacznie bliżej naszego domu, wykryto wiele podejrzanych czarnych dziur o masie średniej masy w gęstych gromadach kulistych gwiazd krążących wokół naszej Drogi Mlecznej. Na przykład w 2008 roku astronomowie z Hubble’a ogłosili podejrzenie obecności czarnej dziury o masie pośredniej w gromadzie kulistej Omega Centauri. Z wielu powodów, w tym potrzeby uzyskania większej ilości danych, te i inne odkrycia czarnych o masie pośredniej nadal pozostają niejednoznaczne i nie wykluczają alternatywnych teorii.
Unikalne możliwości Hubble’a zostały teraz wykorzystane do skupienia się na jądrze gromady kulistej Messier 4 (M4), aby polować na czarne z większą precyzją niż w poprzednich poszukiwaniach.
Nie można tego rodzaju nauki bez Hubble’a.mówi Eduardo Vitral z Space Telescope Science Institute w Baltimore w stanie Maryland, główny autor papier do opublikowania w Miesięczne zawiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.
Zespół Vitral wykrył możliwą czarną dziurę o masie pośredniej o masie około 800 mas Słońca. Podejrzewanego obiektu nie można zobaczyć, ale jego masa jest obliczana poprzez badanie ruchu gwiazd złapanych w jego polu grawitacyjnym, takich jak pszczoły rojące się wokół ula. Pomiar ich ruchu wymaga czasu i dużej precyzji. To tutaj Hubble osiąga to, czego nie może dokonać żaden inny współczesny teleskop. Astronomowie przyjrzeli się 12-letnim obserwacjom M4 z Hubble’a i rozwiązali gwiazdy punktowe.
Jego zespół szacuje, że czarna w M4 może mieć masę nawet 800 razy większą od masy Słońca. Dane z Hubble’a wydają się wykluczać alternatywne teorie dla tego obiektu, takie jak zwarta gromada centralna nierozdzielonych gwiezdnych pozostałości, takich jak gwiazdy neutronowe, lub mniejsze czarne wirujące wokół siebie.
Mamy pewność, że mamy bardzo mały region z dużą ilością skoncentrowanej masy. Jest około trzy razy mniejsza niż najgęstsza ciemna masa, którą znaleźliśmy wcześniej w innych gromadach kulistych. Obszar jest bardziej zwarty niż to, co możemy odtworzyć za pomocą symulacji numerycznych, gdy weźmiemy pod uwagę zbiór czarnych, gwiazd neutronowych i białych karłów oddzielonych w centrum gromady. Nie są w stanie wytworzyć tak zwartej koncentracji masy.mówi Vitral.
Zgrupowanie zwartych ze sobą obiektów byłoby dynamicznie niestabilne. Jeśli obiekt nie jest pojedynczą czarną o masie pośredniej, wymagałoby to około 40 mniejszych czarnych stłoczonych w przestrzeni o średnicy zaledwie jednej dziesiątej roku świetlnego, aby wytworzyć obserwowane ruchy gwiazd. Konsekwencje są takie, że połączą się i / lub zostaną wyrzuceni w grze międzygwiezdnego pinballa.
Mierzymy ruchy gwiazd i ich pozycje oraz stosujemy modele fizyczne, które próbują odtworzyć te ruchy. Kończymy z pomiarem rozszerzenia ciemnej masy w centrum gromady. Im bliżej masy centralnej, tym bardziej losowo gwiazdy się poruszają. A im większa masa centralna, tym szybsze prędkości gwiazd.mówi Vitral.
Ponieważ czarne dziury o masie pośredniej w gromadach kulistych były tak nieuchwytne, Vitral ostrzega:
Chociaż nie możemy całkowicie potwierdzić, że jest to centralny punkt grawitacji, możemy pokazać, że jest bardzo mały. Jest zbyt mała, abyśmy mogli ją wyjaśnić inaczej niż to, że jest to pojedyncza czarna. Alternatywnie, może istnieć mechanizm gwiazdowy, o którym po prostu nie wiemy, przynajmniej w obecnej fizyce.
info: HubbleSite
