Tag: czarna dziura

Hubble poluje na czarną dziurę średniej wielkości w najbliższej gromadzie kulistej

Radosław B. AMBROŻY

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

Nowe spojrzenie na aktywnie zasilającą supermasywną czarną dziurę w galaktyce NGC 4395

Radosław B. AMBROŻY

Astronomowie udostępnili niedawno nowe zdjęcie galaktyki NGC 4395 wykonane przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a. Ta stosunkowo rozproszona i słaba galaktyka karłowata znajduje się zaledwie 14 milionów lat świetlnych od Ziemi.

NGC 4395 ma kilka osobliwości, a to nowe zdjęcie przybliża centralny obszar galaktyki, aby uwypuklić tylko jedno z tych dziwactw. NGC 4395 różni się od innych galaktyk karłowatych tym, że w jej centrum znajduje się aktywnie zasilająca się supermasywna czarna dziura. Ale ta czarna dziura jest uważana za jedną z najmasywniejszych supermasywnych, jakie kiedykolwiek wykryto.

Czarna ma masę “zaledwie” 10 000 razy większą od masy Słońca, co czyni ją aż 100 razy mniejszą od innych tego typu obiektów. Czarna dziura jest wykrywalna tylko dzięki promieniowaniu wyrzucającemu z centrum galaktyki, tego jasnego obszaru w lewym dolnym rogu zdjęcia.

Większe zdjęcie z Hubble’a pokazuje centralny obszar NGC 4395 wraz z mniejszym zdjęciem wstawki Digital Sky Survey, w lewym dolnym rogu, która ujawnia położenie zdjęcia z Hubble’a w szerszym kontekście całej galaktyki. Źródło: NASA, ESA, DSS, S. Larsen (Radboud Universiteit Nijmegen) i E. Sabbi (STScI); Przetwarzanie: Gladys Kober (NASA/Katolicki Uniwersytet Ameryki)

NGC 4395 nosi kilka różnych znamion i obrazów w jakich się prezentuje. Jest to galaktyka karłowata ze względu na swój mały rozmiar. Jest uważana za galaktykę spiralną ze względu na jej rozproszone, ale wyraźne ramiona spiralne. Jednak jest również uważana za galaktykę Seyferta, ponieważ zawiera aktywne jądra galaktyczne (AGN), mały obszar w swoim centrum, który jest jaśniejszy niż można to wyjaśnić samą populacją gwiazd. Lecz, ten AGN – zasilany przez supermasywną czarną dziurę – jest jednym z najciemniejszych AGNów jakie obecnie zostały opisane. Jest klasyfikowana jako galaktyka Seyferta, a nie pełnowymiarowy kwazar, ponieważ ilość promieniowania z czarnej nie przytłacza reszty galaktyki.

NGC 4395 jest również wyjątkowa wśród galaktyk Seyferta ze względu na brak zgrubienia galaktycznego, ciasno upakowanej grupy gwiazd często znajdowanej w centrum galaktyki. Astronomowie twierdzą, że czarna “zjadła” większość gwiazd w zgrubieniu i nie ma dużo więcej pożywienia w zasięgu ręki. To powstrzymałoby czarną dziurę przed rozwojem.

Oto kolejne zdjęcie NCG 4395 z Hubble’a, które przybliża jedno z rozmytych ramion spiralnych galaktyki:

Większe zdjęcie z Hubble’a przedstawia jedno z ramion spiralnych NGC 4395. Mniejszy obraz z przeglądu nieba Digital Sky Survey, w lewym dolnym rogu, pokazuje położenie zdjęcia z Hubble’a w kontekście całej galaktyki.
Źródło: NASA, ESA, DSS, A. Barth (University of California – Irvine), D. Calzetti (University of Massachusetts – Amherst), R. Chandar (University of Toledo), D. Crenshaw (Georgia State University Research Foundation), S. Larsen (Radboud Universiteit Nijmegen), W. Maksym (Smithsonian Institution Astrophysical Observatory), E. Sabbi (STScI) i R. Tully (University of Hawaii); Przetwarzanie: Gladys Kober (NASA/Katolicki Uniwersytet Ameryki)

Czy to czarna dziura, czy nowy typ gwiazdy?

Radosław B. AMBROŻY

W ramach ogólnej teorii względności czarne dziury są łatwe do zdefiniowania. Są to obiekty z horyzontem zdarzeń. Ten horyzont jest jak linia na piasku, gdzie wszystko, co go przekracza, jest na zawsze uwięzione w czarnej dziurze. Teoria kwantowa może pozwolić na ucieczkę energii przez promieniowanie Hawkinga, ale klasyczne czarne dziury są podróżą w jedną stronę.

Obserwacyjnie czarne dziury są nieco mniej zdefiniowane. Obserwowaliśmy obiekty tak gęste, że nie mogą być zwykłą materią i uchwyciliśmy cień supermasywnych czarnych dziur zarówno w naszej galaktyce, jak i M87. Dzięki obserwatoriom fal grawitacyjnych zaobserwowaliśmy łączenie się gęstych czarnych i emitowanych przez nie fal grawitacyjnych zgodnych z ogólną teorią względności do granic obserwacji. Wiemy więc, że czarne dziury istnieją. Ale czy to oznacza, że wszystko, co widzimy, co wygląda jak czarna dziura, w rzeczywistości jest tym obiektem? Niekoniecznie.

Mimo że dowody obserwacyjne na istnienie czarnych dziur są bardzo silne, przydatne może być przyjrzenie się innym obiektom, które mogą mieć podobny wygląd. Te niezwykłe obiekty mogą nie istnieć, ale jest to dobry sposób, aby upewnić się, że nie staniemy się zbyt pewni naszych modeli naukowych. Dlatego zespół przyjrzał się astronomicznym właściwościom solitonów topologicznych.

Soliton jest samonapędzającym się efektem fali. Po raz pierwszy zaobserwowano je jako wzrost wody przemieszczającej się w kanale. W przeciwieństwie do zwykłych fal, zachowują swój kształt przez długi czas, prawie tak, jakby były obiektem. Solitony fal wodnych były badane w laboratorium od końca 1800 roku, a solitony optyczne zostały po raz pierwszy stworzone we włóknach szklanych w 1980 roku. Są dobrze znanym zjawiskiem fizycznym. Soliton topologiczny jest matematycznym opisem tego efektu.

Widok 3D ewolucji czasoprzestrzennej solitonu wędrownego. Źródło: użytkownik Wikipedii Christophe.Finot

W swojej pracy zespół przyjrzał się, w jaki sposób topologiczne solitony w ramach ogólnej teorii względności grawitacyjnie soczewkują światło i porównał to ze sposobem, w jaki czarne dziury soczewają światło. Okazało się, że oba były niezwykle podobne. Tak podobne, że astronomom trudno byłoby je rozróżnić. Zasadniczo, jeśli zaobserwujemy, że światło gwiazd jest silnie soczewkowane przez obiekt, może to być czarną dziurą lub solitonem.

Praca pokazuje, że obiekt solitonowy wyglądałby dla astronomów jak czarna dziura, ale nie miałby horyzontu zdarzeń. Gdyby dwa solitony połączyły się, fale grawitacyjne, które wytworzyły, byłyby również podobne do tych z czarnych dziur. To interesujący wynik, ale to jeszcze nie obala czarnych dziur. Zespół nie odniósł się do tego, w jaki sposób powstaną takie dziwne solitony. Wszystko, co wiemy o gwiazdach, mówi nam, że duże gwiazdy zapadłyby się w czarną dziurę, a nie soliton.

Ale jest kilka interesujących, choć bardzo mało prawdopodobnych opcji dla solitonów. Solitony pojawiają się jako rozwiązania w teorii kwantowej, takie jak kondensaty Bosego-Einsteina, więc być może dziwna gwiazda złożona z bozonów mogłaby zakończyć swoje życie jako soliton. Te hipotetyczne gwiazdy bozonowe lub gwiazdy Proca, jak są czasami znane, są bozonowymi siostrami gwiazd fermionowych, takich jak gwiazdy neutronowe lub kwarkowe. Znana materia bozonowa nie może stać się gwiazdą Proca, ale jeśli ciemna materia składa się z bozonów, to część z niej może tworzyć gwiazdę Proca.

Wszystko to jest bardzo spekulacyjne. Ale fajnie jest o tym myśleć. Na podstawie tego, co wiemy, niektóre z tych czarnych dziur o masie gwiazdowej, które obserwujemy w naszej galaktyce, mogą być dziwnymi gwiazdami bozonowymi w przebraniu.

Pierwszy bezpośredni obraz czarnej dziury wyrzucającej potężny dżet

Radosław B. AMBROŻY

Po raz pierwszy astronomowie zaobserwowali na tym samym zdjęciu cień czarnej dziury w centrum galaktyki Messier 87 (M87) i potężny dżet wyrzucany przez nią. Obserwacje wykonano w 2018 roku teleskopami Global Millimetre VLBI Array (GMVA), Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), w którym ESO jest partnerem, oraz Greenland Telescope (GLT). Dzięki nowemu obrazowi, naukowcy mogą lepiej zrozumieć, w jaki sposób czarne dziury mogą wystrzeliwać tak energetyczne dżety.

Większość galaktyk posiada supermasywne czarne dziury w swoich centrach. O ile czarne dziury znane są z pochłaniania materii ze swojego bezpośredniego otoczenia, mogą także wystrzeliwać potężne dżety materii rozciągające się nawet poza galaktyki, w których rezydują. Zrozumienie, w jaki sposób czarne dziury tworzą tego typu olbrzymie dżety, jest wieloletnim problemem w astronomii.

Wiemy, że dżety są wyrzucane z obszaru otaczającego czarne dziury, ale nadal nie rozumiemy w pełni, jak to się faktycznie dzieje. Aby zbadać to bezpośrednio, musimy obserwować źródło dżetu tak blisko czarnej dziury, jak to możliwe.mówi Ru-Sen Lu z Shanghai Astronomical Observatory w Chinach.

Nowe, opublikowane dzisiaj zdjęcie po raz pierwszy precyzyjnie pokazuje tę kwestię: w jaki sposób podstawa dżety łączy się z materię wirującą wokół supermasywnej czarnej dziury. Celem jest galaktyka M87, zlokalizowana w odległości 55 milionów lat świetlnych, w naszym kosmicznym sąsiedztwie, która jest domem czarnej dziury 6,5 miliarda razy masywniejszej niż Słońce. Dzięki wcześniejszym obserwacjom udało się zobrazować osobno obszar bliski czarnej dziurze oraz dżet. Tym razem po raz pierwszy obie struktury zostały zaobserwowane razem.

Nowe zdjęcie uzupełnia obraz pokazując w tym samym czasie rejon wokół czarnej dziury i dżet.dodaje Jae-Young Kim from z Kyungpook National University w Korei Południowej i z Max Planck Institute for Radio Astronomy w Niemczech.

Obraz uzyskano przy pomocy GMVA, ALMA oraz GLT, tworzących sieć radioteleskopów wokół całego globu, pracujących razem jako wirtualny teleskop o rozmiarach Ziemi. Tak wielka sieć potrafi rozróżnić drobne szczegóły w obszarze wokół czarnej dziury w M87.

Nowy obraz pokazuje dżet zaczynający się blisko czarnej dziury, a także coś, co naukowcy nazywają cieniem czarnej dziury. Gdy materia krąży wokół czarnej dziury, rozgrzewa się i emituje światło. Czarna dziura zakrzywia i przechwytuje część tego światła, tworząc wokół siebie strukturę podobną do pierścienia, gdy patrzymy na nią z Ziemi. Ciemność w centrum pierścienia to cień czarnej dziury, który został po raz pierwszy zobrazowany przez Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT) w 2017 roku. Oba obrazy, najnowszy i ten z EHT, łączą dane uzyskane wieloma radioteleskopami na całym świecie, ale zdjęcie zaprezentowane dzisiaj pokazuje fale radiowe emitowane na większych długościach fali niż w przypadku EHT (3,5 mm zamiast 1,3 mm).

Na tej długości fali możemy zobaczyć, jak z pierścienia emisji wokół centralnej supermasywnej czarnej dziury rodzi się dżet.komentuje Thomas Krichbaum z Max Planck Institute for Radio Astronomy.

Rozmiar pierścienia obserwowanego przez sieć GMVA jest o prawie 50% większy w porównaniu do obrazu z Teleskopu Horyzontu Zdarzeń. „Aby zrozumieć fizyczne źródło większego i grubszego pierścienia, musimy wykorzystać symulacje komputerowe, aby przetestować różne scenariusze” wyjaśnia Keiichi Asada z Academia Sinica na Tajwanie. Wyniki sugerują, że nowy obraz ujawnia więcej materii, która spada w stronę czarnej dziury, niż mogło być zaobserwowane przez EHT.

Nowe obserwacje czarnej dziury w M87 zostały przeprowadzone w 2018 roku przy pomocy sieci GMVA, zawierającej 14 radioteleskopów w Europie i Ameryce Północnej. Dodatkowo do GMVA podłączono wtedy dwa inne obserwatoria: Greenland Telescope oraz ALMA, w którym ESO jest partnerem. Sieć ALMA zawiera 66 anten na chilijskiej pustyni Atakama i odegrała kluczową rolę w opisywanych obserwacjach. Dane zbierane wszystkimi teleskopami na całym świecie są łączone przy pomocy techniki zwanej interferometrią, która synchronizuje sygnały odbierane przez poszczególne urządzenia. Ale żeby prawidłowo uzyskać rzeczywisty kształt obiektu astronomicznego, ważne jest, aby teleskopy były rozsiane po całej Ziemi.

Teleskopy GMVA są położone głównie na linii wschód-zachód, więc dodanie ALMA z półkuli południowej, było kluczowe dla uchwycenia obrazu dżetu i cienia czarnej dziury w M87.

Dzięki umiejscowieniu ALMA i jej czułości, możemy ujawnić cień czarnej dziury i zobaczyć głębiej emisję z dżetu, obie rzeczy w tym samym czasie.wyjaśnia Lu.

Przyszłe obserwacje przy pomocy tej sieci teleskopów będą kontynuowane, aby ujawnić więcej, jak supermasywna czarna dziura wystrzeliwuje potężne dżety.

Planujemy obserwować rejon wokół czarnej dziury w centrum M87 na różnych długościach fal radiowych, aby dokładniej zbadać emisję z dżetu.mówi Eduardo Ros z Max Planck Institute for Radio Astronomy.

Tego typu jednoczesne obserwacje pozwolą zespołowi na rozwikłanie skomplikowanych procesów, które zachodzą w pobliżu supermasywnej czarnej dziury. Nadchodzące lata będą ciekawe, gdyż będzie w stanie dowiedzieć się więcej o tym, co dzieje się blisko jednego z najbardziej zagadkowych rejonów we Wszechświecie.podsumowuje Ros.
info: ESO