Czarne dziury to jedna z najbardziej niesamowitych i tajemniczych sił natury. Jednocześnie są one fundamentalne dla naszego zrozumienia astrofizyki. Czarne dziury są nie tylko rezultatem szczególnie masywnych gwiazd, które pod koniec życia stają się supernowymi, są również kluczem do naszego zrozumienia ogólnej teorii względności i uważa się, że odegrały one rolę w ewolucji kosmicznej.
Z tego powodu astronomowie od wielu lat starają się stworzyć spis czarnych dziur w galaktyce Drogi Mlecznej. Jednak nowe badania wskazują, że astronomowie mogli przeoczyć całą klasę czarnych dziur. Wynika to z niedawnego odkrycia, w którym zespół astronomów zaobserwował czarną dziurę, która jest nieco ponad trzy masy Słońca, co czyni ją najmniejszą odkrytą jak dotąd czarną dziurą.
Niedawno ukazało się w czasopiśmie badanie „Nieprzekraczający o niskiej masie układ podwójnej czarnej dziury - układ podwójny gigantycznej gwiazdy” Nauka. Odpowiedzialny zespół był kierowany przez astronomów z Ohio State University i obejmował członków z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, The Observatories of Carnegie Institution for Science, Dark Cosmology Center oraz wielu obserwatoriów i uniwersytetów.
Odkrycie było szczególnie godne uwagi, ponieważ zidentyfikowało obiekt, o którym wcześniej nie wiedzieli astrofizycy. W rezultacie naukowcy są teraz zmuszeni do ponownego rozważenia tego, co według nich wiedzieli o populacji czarnych dziur w naszej galaktyce. Jak wyjaśnił Todd Thompson, profesor astronomii na Ohio State University i główny autor badania:
„Pokazujemy tę wskazówkę, że istnieje jeszcze jedna populacja, której jeszcze nie zbadaliśmy w poszukiwaniu czarnych dziur. Ludzie próbują zrozumieć wybuchy supernowych, jak supermasywne czarne gwiazdy eksplodują, jak powstają pierwiastki w supermasywnych gwiazdach. Gdybyśmy mogli odkryć nową populację czarnych dziur, powiedziałoby to nam więcej o tym, które gwiazdy wybuchają, a które nie, które tworzą czarne dziury, które tworzą gwiazdy neutronowe. Otwiera nowy obszar badań. ”
Ze względu na wpływ, jaki wywierają na przestrzeń i czas, astronomowie od dawna szukają czarnych dziur i gwiazd neutronowych. Ponieważ są one również tym, co powstaje, gdy gwiazdy umierają, mogą również dostarczyć informacji o cyklach życia gwiazd i o tym, jak powstają elementy. Aby to zrobić, astronomowie muszą najpierw ustalić, gdzie znajdują się czarne dziury w naszej galaktyce, co wymaga, aby wiedzieli, czego szukać.
Jednym ze sposobów ich znalezienia jest poszukiwanie układów podwójnych, w których dwie gwiazdy są zablokowane na orbicie ze względu na ich wzajemną grawitację. Kiedy jedna z tych gwiazd ulegnie zapadowi grawitacyjnemu pod koniec życia, zapadnie się, tworząc gwiazdę neutronową lub czarną dziurę. Jeśli gwiazda towarzysząca osiągnęła fazę czerwonej gałęzi (RBP) swojej ewolucji, znacznie się rozszerzy.
To rozszerzenie spowoduje, że czerwony olbrzym zostanie podporządkowany swojej czarnej dziurze lub towarzyszowi gwiazdy neutronowej. Spowoduje to, że materiał zostanie wyciągnięty z powierzchni tego pierwszego i powoli zużyty przez ten drugi. Dowodzi tego ciepło i promieniowanie rentgenowskie, które są emitowane, gdy materiał z gwiazdy jest gromadzony na towarzyszącym mu czarnej dziurze.
Do tej pory wszystkie czarne dziury w naszej galaktyce zidentyfikowane przez astronomów miały od pięciu do piętnastu mas Słońca. Natomiast gwiazdy neutronowe nie są na ogół większe niż około 2,1 masy Słońca, ponieważ wszystko, co jest większe niż 2,5 masy Słońca, zapadnie się, tworząc czarną dziurę. Kiedy LIGO i Panna wspólnie wykryły fale grawitacyjne spowodowane połączeniem czarnej dziury, miały one odpowiednio 31 i 25 mas Słońca.
To pokazało, że czarne dziury mogą wystąpić poza tym, co astronomowie uważali za normalny zasięg. Jak powiedział Thompson:
„Natychmiast wszyscy byli jak„ wow ”, ponieważ była to tak spektakularna rzecz. Nie tylko dlatego, że udowodniło, że LIGO działało, ale także dlatego, że masy były ogromne. Czarne dziury tego rozmiaru to wielka sprawa - nie widzieliśmy ich wcześniej. ”
Odkrycie to zainspirowało Thompsona i jego współpracowników do rozważenia możliwości znalezienia nieodkrytych obiektów między największymi gwiazdami neutronowymi a najmniejszymi czarnymi dziurami. Aby to zbadać, zaczęli łączyć dane z eksperymentu Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment (APOGEE) - badania astronomicznego, które gromadzi widma z około 100 000 gwiazd w całej galaktyce.
Thompson i jego koledzy zbadali te widma pod kątem oznak zmian, które wskazywałyby, czy gwiazda może krążyć wokół innego obiektu. W szczególności, jeśli gwiazda wykazywałaby oznaki przesunięcia Dopplera - gdzie jej widma będą się zmieniać naprzemiennie między przesunięciem w kierunku bardziej niebieskiego końca, a następnie bardziej czerwonymi długościami fal - byłoby to wskazówką, że może krążyć wokół niewidzialnego towarzysza.
Ta metoda jest jednym z najbardziej skutecznych i popularnych sposobów określania, czy gwiazda ma układ orbitujących planet. Gdy planety krążą wokół gwiazdy, wywierają na nią siłę grawitacyjną, która powoduje, że porusza się ona tam iz powrotem. Ten sam rodzaj przesunięcia wykorzystał Thompson i jego koledzy, aby ustalić, czy któraś z gwiazd APOGEE może krążyć wokół czarnej dziury.
Zaczęło się od tego, że Thompson zawęził dane APOGEE do 200 kandydatów, które okazały się najbardziej interesujące. Następnie przekazał dane Tharindu Jayasinghe (absolwentowi badań w Ohio State), który następnie wykorzystał dane z All-Sky Automated Survey for Supernovae (ASAS-SN) - prowadzonej przez OSU i znalezionej ponad 1000 supernowych - do skompilowania tysięcy zdjęć każdego kandydata.
To ujawniło gigantyczną czerwoną gwiazdę, która zdawała się krążyć wokół czegoś znacznie mniejszego niż jakakolwiek znana czarna dziura, ale znacznie większa niż jakakolwiek znana gwiazda neutronowa. Po połączeniu wyników z dodatkowymi danymi z Spektrografu Echelle Reflector Echelle (TRES) i satelity Gaia, zdali sobie sprawę, że znaleźli czarną dziurę około 3,3 masy Słońca.
Ten wynik nie tylko potwierdza istnienie nowej klasy drobnej czarnej dziury, ale także zapewnił nową metodę ich lokalizacji. Jak wyjaśnił Thompson:
„To, co zrobiliśmy tutaj, wymyśliło nowy sposób wyszukiwania czarnych dziur, ale potencjalnie zidentyfikowaliśmy także jedną z pierwszych z nowej klasy czarnych dziur o małej masie, o której astronomowie wcześniej nie wiedzieli. Mnóstwo rzeczy mówi nam o ich formacji i ewolucji, a także o swojej naturze. ”
