Astronomowie szukają samotnych czarnych dziur w danych Gai. Mogą być bliżej, niż myślimy

Szacunki naukowe mówią, że w obrębie Drogi Mlecznej może kryć się nawet miliard czarnych dziur powstałych z gwiazd. Wyłapanie ich stanowi jednak ogromne wyzwanie obserwacyjne. O ile aktywne jądra galaktyczne, czyli czarne dziury intensywnie pochłaniające materię, można dostrzec nawet z bardzo dużych odległości dzięki emitowanym przez nie dżetom, o tyle supermasywne czarne dziury zdradza przede wszystkim ich oddziaływanie grawitacyjne na otoczenie.

Zupełnie inaczej sprawa wygląda z czarnymi dziurami o masie gwiazdowej. Jest ich znacznie więcej niż tych supermasywnych, ale generują one dużo słabsze sygnały, przez co trudniej je zarejestrować. Teoretycznie część z nich powinna znajdować się całkiem blisko nas. Jak informuje serwis Universe Today, powołując się na nowe badanie opublikowane w The Astrophysical Journal, zespół naukowców zaproponował metodę tropienia takich obiektów z wykorzystaniem danych zebranych przez satelitę Gaia.

Czarna dziura może być tuż obok

Modele teoretyczne przewidują ,że nasza galaktyka zawiera od 100 mln do nawet miliarda czarnych dziur powstałych w wyniku całkowitego zapadnięcia grawitacyjnego ciężkich gwiazd i że większość tych czarnych dziur jest izolowana, nie posiada żadnego towarzysza. Oznacza to, że w promieniu 15 parseków od Układu Słonecznego (około 50 lat świetlnych) może znajdować się kilka czarnych dziur

autorzy badania

Pozostaje pytanie, jak wypatrzyć coś, co z definicji nie emituje światła i nie ma gwiazdy towarzyszącej, która mogłaby zdradzić jego lokalizację. Jedyną wskazówką może być wtedy gaz rozproszony w przestrzeni międzygwiazdowej, stanowiący ewentualne źródło materii opadającej na taki obiekt. Problem w tym, że przestrzeń kosmiczna w przeważającej części jest praktycznie pusta.

W otoczeniu Układu Słonecznego istnieją jednak obłoki międzygwiazdowe, czyli skupiska gazu, w tym częściowo zjonizowanego wodoru. Nasz układ planetarny przemierza akurat jeden z nich, znany jako Lokalny Obłok Międzygwiazdowy, poruszając się blisko jego granicy. W pobliżu znajduje się też między innymi tzw. obłok G.

Obecność takich struktur może sprzyjać sytuacji, w której odosobniona czarna dziura zaczyna wciągać otaczającą ją materię. Opadający w jej stronę gaz ulega wtedy rozgrzaniu i zaczyna promieniować w sposób możliwy do wychwycenia przez teleskopy. Z analiz wynika, że obłoki międzygwiazdowe pokrywają od 5 do 20 proc. badanego fragmentu lokalnej przestrzeni. Jeśli poszukiwana czarna dziura znajduje się akurat w takim obszarze, rośnie szansa na jej zarejestrowanie.

Poza granicami tych obłoków perspektywy są znacznie słabsze. Materia jest tam na tyle rozrzedzona, że czarna dziura może nie wchłaniać dość gazu, by wygenerować promieniowanie możliwe do zmierzenia. W efekcie nawet obiekt oddalony od nas o kilkanaście lat świetlnych mógłby pozostać całkowicie niewykryty przy użyciu dzisiejszych narzędzi.

Gaia znalazła pięciu kandydatów. Żaden nie przekonał astronomów

Do analizy posłużyły dane z misji Gaia, a konkretnie z trzeciego dużego katalogu Gaia DR3. Ten kosmiczny teleskop Europejskiej Agencji Kosmicznej na bieżąco rejestruje pozycje, ruchy własne i odległości olbrzymiej liczby gwiazd, gromadząc przy tym dane o wielu innych obiektach astronomicznych.

W interesującym naukowców obszarze nieba zidentyfikowano 1071 źródeł posiadających pomiary paralaksy. To właśnie zjawisko paralaksy, czyli pozorne przesunięcie pozycji obiektu obserwowanego z różnych punktów orbity Ziemi, umożliwia astronomom szacowanie odległości dzielących nas od gwiazd.

Wśród tych 1071 obiektów sześć nie dało się jednoznacznie sklasyfikować. Jeden z nich uznano za potencjalnego brązowego karła wchodzącego w skład układu podwójnego, co od razu wykluczyło go z grona poszukiwanych samotnych czarnych dziur gwiazdowych. W efekcie do dalszej analizy zostało pięciu kandydatów, których charakteru nie dało się ustalić w prosty sposób.

Wszystkie te obiekty leżą w pobliżu płaszczyzny Drogi Mlecznej, czyli w rejonie, gdzie na niewielkim wycinku nieba kumuluje się blask licznych źródeł światła. Takie nagromadzenie utrudnia uzyskanie dokładnych pomiarów. Zafałszowania mogą pojawiać się na przykład wtedy, gdy w tle znajduje się niezidentyfikowany obiekt, albo gdy to, co wygląda na pojedyncze źródło, w rzeczywistości jest układem podwójnym. W obu przypadkach odczyty astrometryczne mogą sugerować coś nietypowego, choć w rzeczywistości nie chodzi o czarną dziurę.

Z tego powodu badacze nie byli w stanie potraktować niecodziennych parametrów ruchu i pozycji tych pięciu obiektów jako dowodu istnienia czarnych dziur. W następnym kroku zestawili więc swoich kandydatów z katalogami obserwacji prowadzonych w podczerwieni oraz w zakresie fal radiowych.

Przełom może nadejść w 2027 r.

Wynik tej weryfikacji okazał się niesatysfakcjonujący. Żaden z pięciu analizowanych obiektów nie wykazał wyraźnego sygnału w podczerwieni ani w falach radiowych, który pasowałby do oczekiwań dotyczących samotnej czarnej dziury pochłaniającej materię z ośrodka międzygwiazdowego. W związku z tym autorzy badania stwierdzili, że żaden z tych pięciu kandydatów najprawdopodobniej nie jest poszukiwaną czarną dziurą.

Niepowodzenie tej konkretnej próby nie oznacza jednak końca poszukiwań. Naukowcy zamierzają kontynuować przeszukiwanie katalogów radiowych i rentgenowskich, skupiając się na czarnych dziurach zdolnych pochłaniać materię z cieplejszego, częściowo zjonizowanego ośrodka międzygwiazdowego.

Spore nadzieje wiązane są z projektem Square Kilometre Array (SKA) – rozległą siecią radioteleskopów mającą zapewnić wyjątkowo czułe obserwacje kosmosu. Jak podają autorzy badania, kolejna partia danych z tego przedsięwzięcia spodziewana jest w pierwszej połowie 2027 roku. Mogłaby się ona okazać kluczowa przy wykrywaniu słabych źródeł radiowych powiązanych z samotnymi czarnymi dziurami.