Największa czarna dziura jeszcze jaśniejsza, niż sądzono

Po raz pierwszy bezpośrednio zmierzono masę tajemniczego źródła promieniowania X w galaktyce M101 – jednej z najbliższych nam galaktyk spiralnych. Okazało się, że obiekt ten jest złożony z niezwykle jasnej czarnej dziury o masie gwiazdowej i okrążającej go, zwykłej gwiazdy. Źródło: Chandra/Spitzer/Hubble/GALEX

Przez wiele dziesięcioleci naukowcy zastanawiali się nad pochodzeniem nietypowego źródła promieniowania X, leżącego w ramieniu spiralnym galaktyki M101. Ten dziwny obiekt, na podobieństwo innych ultra-jasnych źródeł rentgenowskich (ang. ultraluminous X-ray sources) jest układem gwiazdy i czarnej dziury, okrążających wspólny środek mas. Ciekawe jest jednak to, że jasność i masa składników systemu nie sumują się w prosty sposób.

Innymi słowy – albo układ jest dwa razy tak jasny, jak według wyliczeń być powinien, albo jest bardziej masywny niż oceniono. Różnica jest tu bardzo istotna, bowiem wynikać z niej będzie, jak wielkie i masywne mogą być czarne dziury leżące w centrach galaktyk. Dodatkowo astronomowie mają trudności z pośrednią oceną mas na podstawie obserwacji układu. Aby znaleźć odpowiedź na nurtujące ich pytanie, musieliby zmierzyć masy metodami bezpośrednimi.

Profesor Bregman jest członkiem międzynarodowego zespołu naukowców, którzy dokonali tej trudniej sztuki. Wykazał m.in., że czarna dziura w wyżej opisanym systemie jest dosyć typowa, przynajmniej jeśli brać pod uwagę jej masę. To tak zwana czarna dziura typu gwiazdowego – formują się one, gdy gwiazda urośnie do około 200 średnic naszego Słońca, a następnie skolapsuje na zakończenie swego burzliwego życia. Czarna dziura z M101 ma masę około 20 - 30 mas swego zwykłego, gwiazdowego towarzysza. Według Bregmana jest ona jednak wyjątkowo duża – co więcej, jaśniejsza niż dawniej sądzono. Odkrycie to oznacza również, że nasze zrozumienie fizyki tych obiektów, a w szczególności procesów akrecji, jest jeszcze niepełne i wymaga korekty.

Akrecja to proces, w którym czarna dziura pochłania (konsumuje) okoliczną materię, np. galaktyki, rosnąc przy tym i – w pewien niebezpośredni, związany ze skomplikowanymi procesami sposób – wypromieniowując część pochłoniętej materii/energii. Choć nic, nawet światło, nie może uciec z pola grawitacyjnego takiego obiektu, część opadającego ruchem spiralnym materiału rozgrzewa się silnie i emituje też promieniowanie rentgenowskie. Jest ono przedmiotem intensywnych badań, bowiem informuje nas o tym, w jaki sposób i jak bardzo czarne dziury mogą rosnąć. A znając już masę czarnej dziury możemy przystąpić do oceny i wyjaśnień jej nietypowo wysokiej jasności.

Jakie są jej możliwe wyjaśnienia? Zdaniem naukowców może to być proces ściągania wiatru gwiazdowego z towarzysza. Wówczas strumień naładowanych cząstek z atmosfery gwiazdowej świeci. Dawniej uznano ten mechanizm za mało efektywny, ale nadal bierze się go pod uwagę. Innym wytłumaczeniem są bąble formujące się w dysku akrecyjnego, złożonego z materii spadającej na czarną dziurę. Mogłyby one dodawać do jej otoczenia dodatkowe promieniowanie.

Aby zmierzyć masę omawianego tu układu o nazwie ULX-1 naukowcy spojrzeli na niego przez teleskop Gemini. Następnie przeprowadzili analizę spektroskopową otrzymanych obrazów, co pozwoliło na ocenę składu chemicznego gwiazdy. Okazało się, że nie zawiera ona wiele wodoru. Okazało się, że jest to gwiazda typu Wolfa-Rayeta. Gwiazdy te są wielkie, gorące, i występują bardzo rzadko. Szybko kurczą się na skutek utraty masy poprzez mechanizm silnych wiatrów gwiazdowych. A znając już typ gwiazdy, i mając daną z obserwacji jej jasność, można było już stosunkowo łatwo oszacować jej przybliżoną masę. Wynosiła ona mniej więcej 19 mas Słońca.

Z kolei dzięki obserwacjom układu wykonanym w okresie trzech miesięcy określono, jak często czarna dziura i gwiazda wzajemnie się okrążają (i zaćmiewają). Mając już te wszystkie informacje naukowcy zdołali – przy pomocy praw ruchu Newtona – oszacować masę czarnej dziury w ULX-1.

Jakie są implikacje wynikające z tej wiedzy? Przede wszystkim wydaje się, że wciąż niewiele wiemy o tzw. pośrednich czarnych dziurach. Według pewnych teorii mogłyby być one zalążkami większych, supermasywnych czarnych dziur występujących w ogromnej większości centrów galaktycznych. Ale to, jak takie obiekty się formują, jest wciąż otwartym pytaniem w astrofizyce. Pojawiają się tu trudności – zarówno obserwacyjne – trzeba by znaleźć i zbadać wiele takich obiektów – jak i teoretyczne – brakuje nam wciąż dobrej teorii wyjaśniającej proces ich powstawania.

Cały artykuł: Jifeng Liu, Joel N. Bregman, Yu Bai, Stephen Justham, Paul Crowther; Puzzling accretion onto a black hole in the ultraluminous X-ray source M101 ULX-1

Źródło: Elżbieta Kuligowska | Źródło: astronomy.com

Liczba odsłon: 2997