Hubble poluje na czarną dziurę średniej wielkości w najbliższej gromadzie kulistej

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

Niewidoczne nowo powstałe planety mieszają pył wokół młodej gwiazdy

W 2017 roku astronomowie poinformowali o odkryciu cienia przetaczającego się przez powierzchnię ogromnego dysku gazowo-pyłowego w kształcie naleśnika otaczającego czerwonego karła. Cień nie pochodzi z planety, ale z wewnętrznego dysku lekko nachylonego w stosunku do znacznie większego dysku zewnętrznego – powodując rzucanie cienia. Jednym z wyjaśnień jest to, że grawitacja niewidocznej planety przyciąga pył i gaz na nachyloną orbitę planety.

Teraz drugi cień pojawił się w ciągu zaledwie kilku lat między obserwacjami przechowywanymi w Hubble’u Archiwum MAST. Może to pochodzić z jeszcze jednego dysku umieszczonego wewnątrz systemu. Dwa dyski są prawdopodobnie dowodem na istnienie pary planet w budowie. TW Hydrae ma mniej niż 10 milionów lat i znajduje się około 200 lat świetlnych od Ziemi. We wczesnych swoich latach nasz Układ Słoneczny mógł przypominać system TW Hydrae, około 4,6 miliarda lat temu. Ponieważ system TW Hydrae jest nachylony prawie twarzą do naszego widoku z Ziemi, jest to optymalny cel do uzyskania widoku z lotu ptaka na planetarny plac budowy.

Drugi cień został odkryty w obserwacjach uzyskanych 6 czerwca 2021 roku w ramach wieloletniego programu mającego na celu śledzenie cieni w dyskach okołogwiazdowych. John Debes z AURA/STScI dla Europejskiej Agencji Kosmicznej w Space Telescope Science Institute w Baltimore w stanie Maryland porównał dysk TW Hydrae do obserwacji Hubble’a wykonanych kilka lat temu.

Odkryliśmy, że cień zrobił coś zupełnie innego. Kiedy po raz pierwszy spojrzałem na dane, pomyślałem, że coś poszło nie tak z obserwacją, ponieważ nie było to to, czego się spodziewałem. Na początku byłem zdenerwowany, a wszyscy moi współpracownicy pytali: co się dzieje? Naprawdę musieliśmy podrapać się po głowach i zajęło nam trochę czasu, aby znaleźć wyjaśnienie. powiedział Debes, który jest głównym badaczem i głównym autorem studiować opublikowano w Dziennik Astrofizyczny.

Najlepszym rozwiązaniem, jakie wymyślił zespół, jest to, że istnieją dwa niewyrównane dyski rzucające cienie. Byli tak blisko siebie we wcześniejszej obserwacji, że zostali pominięci. Z czasem rozdzielili się i podzielili na dwa cienie.

Nigdy wcześniej nie widzieliśmy tego na dysku protoplanetarnym. To sprawia, że system jest znacznie bardziej złożony, niż początkowo sądziliśmy.powiedział.

Najprostszym wyjaśnieniem jest to, że niewyrównane dyski są prawdopodobnie spowodowane przyciąganiem grawitacyjnym dwóch planet w nieco różnych płaszczyznach orbity. Hubble składa całościowe spojrzenie na architekturę systemu.

Dyski mogą być serwerami proxy dla planet, które okrążają się nawzajem, wirując wokół gwiazdy. To trochę jak kręcenie dwóch płyt gramofonowych z nieco inną prędkością. Czasami etykiety będą pasować, ale potem jedna wyprzedza drugą.

Sugeruje to, że obie planety muszą być dość blisko siebie. Gdyby jeden poruszał się znacznie szybciej niż drugi, zostałoby to zauważone we wcześniejszych obserwacjach. To jak dwa samochody wyścigowe, które są blisko siebie, ale jeden powoli wyprzedza i okrąża drugi.powiedział Debes.

Podejrzewane planety znajdują się w obszarze mniej więcej w odległości Jowisza od Słońca. A cienie wykonują jeden obrót wokół gwiazdy co około 15 lat – okres orbitalny, który byłby oczekiwany w tej odległości od gwiazdy. Ponadto te dwa wewnętrzne dyski są nachylone o około pięć do siedmiu stopni w stosunku do płaszczyzny dysku zewnętrznego. Jest to porównywalne z zakresem nachyleń orbitalnych wewnątrz naszego Układu Słonecznego.

Jest to zgodne z typową architekturą w stylu Układu Słonecznego.powiedział Debes.

Zewnętrzny dysk, na który padają cienie, może rozciągać się nawet kilka razy dalej niż promień pasa Kuipera w naszym Układzie Słonecznym. Ten większy dysk ma ciekawą przerwę w odległości dwukrotnie większej od Plutona od Słońca. To może być dowód na istnienie trzeciej planety w układzie.

Wszelkie planety wewnętrzne byłyby trudne do wykrycia, ponieważ ich światło zostałoby utracone w blasku gwiazdy. Ponadto pył w systemie przyciemniałby ich odbite światło. Obserwatorium kosmiczne Gaia może być w stanie zmierzyć wahania gwiazdy, jeśli planety o masie Jowisza będą ją szarpać, ale zajęłoby to lata, biorąc pod uwagę długie okresy orbitalne.

Dane TW Hydrae pochodzą ze spektrografu obrazowania Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Obraz w podczerwieni Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba może również być w stanie pokazać cienie bardziej szczegółowo.

info: Hubblesite

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

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)

Hubble zagląda do pobliskiego obszaru gwiazdotwórczego

Astronomowie świętują 33. rocznicę startu Kosmicznego Teleskopu Hubble’a eterycznym zdjęciem pobliskiego obszaru gwiazdotwórczego, NGC 1333. Mgławica znajduje się w obłoku molekularnym Perseusza i znajduje się około 960 lat świetlnych od Ziemi.

Kolorowy widok Hubble’a, zaprezentowany dzięki unikalnej zdolności do uzyskiwania obrazów od ultrafioletu do bliskiej podczerwieni, odsłania musujący kocioł świecących gazów i czarnego jak smoła pyłu poruszonego i rozwianego przez kilkaset nowo powstających gwiazd osadzonych w ciemnym obłoku. Hubble po prostu drapie powierzchnię, ponieważ większość gwiezdnej burzy ogniowej jest ukryta za obłokami drobnego pyłu – głównie sadzy – które są grubsze w dolnej części zdjęcia. Czerń na obrazie nie jest pustą przestrzenią, ale wypełnioną przesłaniającym kurzem.

Aby uchwycić to zdjęcie, Hubble spojrzał przez zasłonę pyłu na krawędzi gigantycznego obłoku zimnego wodoru molekularnego – surowca do wytwarzania nowych gwiazd i planet pod nieubłaganym przyciąganiem grawitacyjnym. Zdjęcie podkreśla fakt, że powstawanie gwiazd jest chaotycznym procesem w naszym chaotycznym wszechświecie. Gwałtowne wiatry gwiazdowe, prawdopodobnie pochodzące od jasnej, niebieskiej gwiazdy na górze zdjęcia, wieją przez zasłonę pyłu. Drobny pył rozprasza światło gwiazdy na niebieskich długościach fal.

Dalej w dół inna jasna, supergorąca gwiazda świeci przez włókna przesłaniającego pyłu, wyglądając jak Słońce świecące przez rozproszone chmury. Ukośny ciąg słabszych gwiazd towarzyszących wygląda na czerwonawy, ponieważ pył filtruje światło gwiazd, przepuszczając więcej czerwonego światła.

Na dole zdjęcia widać dziurkę od klucza zaglądającą głęboko w ciemną mgławicę. Hubble rejestruje czerwonawą poświatę zjonizowanego wodoru. Wygląda to jak finał fajerwerków, z kilkoma nakładającymi się na siebie wydarzeniami. Jest to spowodowane cienkimi jak ołówek dżetami wystrzeliwującymi z nowo powstających gwiazd poza ramą widzenia. Gwiazdy te są otoczone dyskami okołogwiazdowymi, które mogą ostatecznie wytworzyć układy planetarne, oraz potężnymi polami magnetycznymi, które kierują dwie równoległe wiązki gorącego gazu w głąb kosmosu, jak podwójny miecz świetlny z filmów science fiction. Rzeźbią wzory na kokonie wodoru, jak ślady z laserowym pokazem świetlnym. Dżety są zapowiedzią narodzin gwiazdy.

Ten widok stanowi przykład czasu, w którym nasze Słońce i planety uformowały się wewnątrz takiego pyłowego obłoku molekularnego, 4,6 miliarda lat temu. Nasze Słońce nie uformowało się w izolacji, ale zamiast tego zostało osadzone w  jamie szalonych gwiezdnych narodzin, być może nawet bardziej energetycznej i masywnej niż NGC 1333.

Hubble został umieszczony na orbicie okołoziemskiej 25 kwietnia 1990 roku przez astronautów NASA na pokładzie promu kosmicznego Discovery. Do tej pory legendarny teleskop wykonał około 1,6 miliona obserwacji prawie 52 000 obiektów niebieskich. Ta skarbnica wiedzy o wszechświecie jest przechowywana do publicznego dostępu w Archiwum Mikulskiego dla Teleskopów Kosmicznychw Space Telescope Science Institute w Baltimore w stanie Maryland.