Η μοναχική μαύρη τρύπα ενθουσιάζει τους αστρονόμους

 

Οι μοναχικές μαύρες τρύπες πιθανότατα γεμίζουν τον Γαλαξία, αλλά είναι εξαιρετικά δύσκολο να εντοπιστούν. Τώρα οι αστρονόμοι έχουν δει, για πρώτη φορά, μια απομονωμένη μαύρη τρύπα, να περιφέρεται αδέσμευτη στον Γαλαξία μας. Οι μαύρες τρύπες συνήθως παρατηρούνται καθώς αλληλεπιδρούν με άλλα αντικείμενα, όπως τα συντροφικά αστέρια. Η μελέτη μεμονωμένων μαύρων οπών - μια ξεχωριστή κατηγορία κοσμικών αντικειμένων - θα βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν πώς σχηματίζονται και πόσο άφθονες είναι.

Οι μαύρες τρύπες είναι τόσο ογκώδεις που ούτε το φως μπορεί να ξεφύγει από τη βαρυτική τους έλξη, επομένως από τη φύση τους είναι αόρατες. Παραμένουν φαντάσματα εκτός και αν αλληλεπιδράσουν με άλλα αστρικά αντικείμενα, με υπερθέρμανση της ύλης από ένα συνοδό αστέρι, για παράδειγμα, ή συγκρούοντας για να δημιουργήσουν βαρυτικά κύματα που κυματίζουν σε όλο το Σύμπαν.

Οι μεμονωμένες μαύρες τρύπες πιστεύεται ότι είναι κοινές, οι οποίες σχηματίζονται κάθε φορά που ένα αστέρι με περισσότερες από 20 ηλιακές μάζες περίπου φτάνει στο τέλος της ζωής του. «Θα πρέπει να υπάρχουν 100 εκατομμύρια τέτοιες μαύρες τρύπες στον γαλαξία, θα πρέπει να υπάρχουν παντού, αλλά είναι πολύ δύσκολο να τις βρούμε», λέει ο Kailash Sahu, αστρονόμος στο Επιστημονικό Ινστιτούτο του Διαστημικού Τηλεσκοπίου στη Βαλτιμόρη του Μέριλαντ, ο οποίος ηγήθηκε της ομάδας που έκανε Η ανακάλυψη.

Η επιβεβαίωση της παρουσίας της μαύρης τρύπας χρειάστηκε δέκα χρόνια παρατηρήσεων, χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble της NASA και πολλά επίγεια παρατηρητήρια. Ένα προεκτυπωμένο έγγραφο 1 που περιγράφει λεπτομερώς το εύρημα, που δημοσιεύτηκε στο arXiv στις 31 Ιανουαρίου, δεν έχει ακόμη αξιολογηθεί από ομοτίμους, αλλά ήδη ενθουσιάζει τους αστρονόμους. «Νομίζω ότι αυτή είναι μια πολύ συναρπαστική και σημαντική ανακάλυψη», λέει η Selma de Mink, αστροφυσικός στο Ινστιτούτο Αστροφυσικής Max Planck στο Garching της Γερμανίας.

Εστιασμένα αστέρια

Για να εντοπίσει τη μοναχική μαύρη τρύπα, η διεθνής ομάδα χρησιμοποίησε μια τεχνική γνωστή ως microlensing. Οι ερευνητές αναζήτησαν αστέρια που φαινόταν να λάμπουν καθώς περνούσε ένα αόρατο αντικείμενο, με τη βαρυτική του έλξη να κάμπτεται και να εστιάζει το φως των αστεριών σαν φακός (βλ. «Κοσμικοί φακοί»). Πολύ ογκώδη αντικείμενα, όπως οι μαύρες τρύπες, επηρεάζουν μια μεγαλύτερη περιοχή του διαστήματος και έτσι φωτίζουν το αστέρι για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Αλλά τα αχνά, ελαφρύτερα αντικείμενα - όπως τα αστέρια νετρονίων - που κινούνται ασυνήθιστα αργά θα μπορούσαν επίσης να προκαλέσουν μια παρατεταμένη λάμψη.

Έτσι, η ομάδα επέλεξε οκτώ υποψήφια αντικείμενα, τα οποία δεν παρήγαγαν το δικό τους φως, αλλά έλαμπε ένα αστέρι φόντου για τουλάχιστον 200 ημέρες, για περαιτέρω παρατηρήσεις. Τώρα έχουν αρκετά στοιχεία για να ισχυριστούν ότι το ένα είναι μια μαύρη τρύπα.

Πάνω από έξι χρόνια, η ομάδα χρησιμοποίησε το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble για να μετρήσει πώς το διερχόμενο αντικείμενο φαινόταν να εκτρέπει τη θέση ενός αστεριού στον ουρανό. Αυτή η απόκλιση είναι ελάχιστη - η μέτρησή της από τη Γη ισοδυναμεί με κάποιον στη Νέα Υόρκη που μετράει το πλάτος ενός νομίσματος στο Λος Άντζελες, λέει ο Sahu. Χρησιμοποιώντας εξισώσεις που προέκυψαν για πρώτη φορά από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1915, οι ερευνητές μπόρεσαν να υπολογίσουν ότι η μάζα του αόρατου αντικειμένου είναι περίπου επτά φορές μεγαλύτερη από αυτή του Ήλιου: αρκετά βαριά που είναι σχεδόν βέβαιο ότι πρόκειται για μαύρη τρύπα. «Ήταν οι πρώτοι που εντόπισαν ξεκάθαρα μια ενιαία μαύρη τρύπα», λέει ο de Mink.

Η ανίχνευση είναι πολύ πιο πειστική από τους προηγούμενους ισχυρισμούς για μοναχικές μαύρες τρύπες, συμφωνεί ο Eric Agol, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σιάτλ, ο οποίος πριν από 20 χρόνια ήταν μεταξύ των ερευνητών που πρότειναν τον συνδυασμό τεχνικών φωτεινότητας και εκτροπής που χρησιμοποίησε η ομάδα 2 .

Τέλος, επιπλέον πληροφορίες προήλθαν από επίγεια παρατηρητήρια που είδαν το λαμπρυντικό γεγονός. Μικρές διαφορές στη γωνία με την οποία το φως χτύπησε σε διάφορα σημεία σε όλο τον κόσμο δημιούργησαν ένα φαινόμενο παράλλαξης που εντόπισε την απόσταση της μαύρης τρύπας στα 1,58 kiloparsecs (5.150 έτη φωτός) από τη Γη.

Σούπερνοβα λάκτισμα

Τοποθετώντας την απόσταση και τη μάζα του αντικειμένου μαζί με τη διάρκεια της φωτεινότητας αποκάλυψε ότι η μαύρη τρύπα ταξιδεύει στο οπτικό μας πεδίο με περίπου 45 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο. Αυτό είναι ελαφρώς ταχύτερο από τις ταχύτητες 10-30 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο άλλων άστρων στη γειτονιά του, λέει ο Sahu. Αυτό μπορεί να υποδηλώνει ότι η μαύρη τρύπα δέχτηκε ένα επιπλέον «λάκτισμα» όταν σχηματίστηκε στον πυρήνα μιας έκρηξης σουπερνόβα. «Τι τρόπος να γεννηθείς», λέει.

Αυτή η μέτρηση είναι συναρπαστική επειδή οι κλωτσιές που δέχονται οι μαύρες τρύπες κατά τη γέννηση εξακολουθούν να αποτελούν αντικείμενο «έντονος διάλογος» και έχουν επιπτώσεις στην κατανόηση των σουπερνόβα, λέει ο Ilya Mandel, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο Monash στη Μελβούρνη της Αυστραλίας. Ωστόσο, επισημαίνει ότι οι αστρονόμοι γνωρίζουν την ταχύτητα της μαύρης τρύπας μόνο προς μία κατεύθυνση - θα μπορούσε να είναι πολύ καθυστερημένη σε σύγκριση με τους γείτονές της εάν κινείται πιο αργά από αυτούς προς άλλη κατεύθυνση, όπως μακριά από τη Γη. Το έργο είναι «ένα πολύ ωραίο αποτέλεσμα που δείχνει μια συναρπαστική τεχνική, αλλά παραμένουν πολλά ερωτήματα», λέει.

Αν και λίγα πράγματα μπορούν να μάθουν μόνο από ένα παράδειγμα, η ομάδα έχει άλλους τρεις πολλά υποσχόμενους υποψηφίους μαύρης τρύπας να εξετάσει. Καθώς προκύπτουν περισσότερα ευρήματα, θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους αστρονόμους να ανακαλύψουν πολύ περισσότερα για την προέλευση των μεμονωμένων μαύρων τρυπών, καθώς και για το πόσο κοινές είναι, λέει ο Feryal Özel, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα στο Tucson. «Δεν πρέπει να συμπεράνουμε τίποτα από ένα μόνο σημείο δεδομένων, αλλά είμαι ενθουσιασμένη», λέει.

Η τεχνική που χρησιμοποιεί η ομάδα θα πρέπει επίσης να επιτρέπει στους αστρονόμους να εντοπίσουν μια ευρύτερη ποικιλία μαύρων τρυπών από αυτές που συνήθως παρατηρούνται με τις υπάρχουσες μεθόδους, όπως η παρατήρηση συντρόφων αστέρων, προσθέτει ο Mandel. «Χρειαζόμαστε πολλούς τρόπους μελέτης των μαύρων τρυπών για να έχουμε μια πλήρη εικόνα», λέει.

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-00346-6