Nigdy wcześniej nie udało się jednoznacznie zidentyfikować izolowanej czarnej dziury. Po sześciu latach skrupulatnych obserwacji, Kosmiczny Teleskop Hubble’a po raz pierwszy w historii dostarczył bezpośrednich dowodów na istnienie samotnej czarnej dziury dryfującej w przestrzeni międzygwiezdnej.

Gdzie znajduje się swobodna czarna dziura?

Nowo wykryta wędrująca czarna dziura znajduje się w odległości około 5000 lat świetlnych, w ramieniu spiralnym Carina-Sagittarius naszej Galaktyki. Jej odkrycie pozwala astronomom oszacować, że najbliższa Ziemi izolowana czarna dziura o masie gwiazdowej może znajdować się nawet o 80 lat świetlnych stąd. Dla porównania najbliższa naszemu Układowi Słonecznemu gwiazda, Proxima Centauri, znajduje się nieco ponad cztery lata świetlne od nas.

Jak powstała swobodna czarna dziura?

Wędrujące czarne dziury powstają z rzadkich, monstrualnie masywnych gwiazd, które są co najmniej 20 razy masywniejsze od naszego Słońca. Gwiazdy te eksplodują jako supernowe, a pozostałe jądro zostaje zmiażdżone przez grawitację w czarną dziurę. Ponieważ wybuch supernowej nie musi być idealnie symetryczny, czarna dziura może niejako wystrzelić w przestrzeń.

Teleskopy nie mogą sfotografować takiego obiektu, ponieważ nie emituje on żadnego światła. Jednak czarna dziura ugina przestrzeń wokół siebie. To ugięcie może odchylać i wzmacniać światło gwiazd, które ustawiają się chwilowo dokładnie za czarną dziurą. Jest to tzw. mikrosoczewkowanie grawitacyjne. Astronomowie wykorzystują to zjawisko do badania gwiazd i egzoplanet wewnątrz naszej Galaktyki.

Swobodna czarna dziura – jak ją odkryto?

W przypadku masywnych obiektów-soczewek, możemy zaobserwować za pomocą niesłychanie precyzyjnych instrumentów astrometrycznych dodatkowy efekt. To tzw. mikrosoczewkowanie astrometryczne. Położenie źródła światła na sferze niebieskiej w trakcie zjawiska mikrosoczewkowania ulega bardzo niewielkiej, charakterystycznej zmianie. Jednoczesne obserwacje mikrosoczewkowania – fotometryczne i astrometryczne – umożliwiają wyznaczenie masy obiektu soczewkującego i w ten sposób określenie jego typu.

Zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego OGLE-2011-BLG-0462 zostało odkryte 2 czerwca 2011 roku. Dokonali tego astronomowie z prowadzonego w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego wielkoskalowego przeglądu nieba OGLE. Projektem kieruje prof. Andrzej Udalski.

Sygnatura czarnej dziury mocno wyróżnia się spośród innych zjawisk mikrosoczewkowania. Bardzo intensywna grawitacja czarnej dziury wydłuża czas trwania soczewkowania na ponad 200 dni. W przypadku opisywanej błąkającej się czarnej dziury użyto Teleskopu Hubble’a do zmierzenia stopnia ugięcia obrazu gwiazdy tła przez czarną dziurę. Hubble jest zdolny do niezwykłej precyzji potrzebnej do takich pomiarów. Obraz gwiazdy został przesunięty od miejsca, w którym normalnie by się znajdował, o około milisekundę łuku. Jest to odpowiednik pomiaru monety groszowej w Lizbonie widzianej z Warszawy albo dwuzłotówki na Wyspach Kanaryjskich widzianej z Warszawy.

Swobodna czarna dziura – a może jednak gwiazda neutronowa?

– Dzięki mikrosoczewkowaniu jesteśmy w stanie badać te samotne, zwarte obiekty i ważyć je. Myślę, że otworzyliśmy nowe okno na te ciemne obiekty, których nie można zobaczyć w żaden inny sposób – mówi Jessica Lu z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Należy ona do grona naukowców badających błąkającą się czarną dziurę, zarejestrowaną przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a.

Jej zespół doszedł jednak do wniosku, że dostrzeżony obiekt może być gwiazdą neutronową, a nie czarną dziurą. Według obliczeń obiekt może mieć masę pomiędzy 1,6 a 4,4 mas Słońca. A uznaje się, że dolna granica masy czarnej dziury to pięciokrotność masy Słońca.

Według analizy innego zespołu badaczy, prowadzonego przez Kailash Sahu z Space Telescope Science Institute, obiekt jest czarną dziurą o masie 7,1 mas Słońca. Ta dziura przemieszcza się w odległości ponad pięciu tysięcy lat świetlnych od nas. Jej prędkość wynosi 45 km/s, czyli 162 tys. km/godz.

Grupa z Berkley określiła tę prędkość jako 30 km/s (108 tys. km/godz.). Ten wynik, jak mówią, sugeruje, że być może wybuch supernowej nie jest konieczny do narodzin czarnej dziury.

W tej chwili niemożliwe jest wyciągnięcie jednoznacznych wniosków dotyczących tego obiektu. – Cokolwiek to jest, obiekt jest pierwszą ciemną gwiezdną pozostałością, którą odkryto wędrującą przez galaktykę bez „opieki” innej gwiazdy – podsumowuje Casey Lam z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley.

Swobodna czarna dziura – komentarz astronoma

Poniżej zamieszczamy komentarz dr. Przemysława Mroza z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego.

Odkrycie samotnej czarnej dziury to przełom w badaniu tych obiektów. Spodziewamy się, że w naszej Drodze Mlecznej powinno znajdować się ich nawet 100 milionów. Jednak – do tej pory – umykały detekcji. Obie publikacje pokazują, że współczesna technologia pozwala na wykrywanie tych egzotycznych obiektów. Spodziewam się, że w najbliższych latach usłyszymy o kolejnych podobnych odkryciach, możliwych także dzięki badaniom prowadzonym w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego. To i kolejne odkrycia umożliwią nam zbadanie procesów, które prowadzą do powstawania czarnych dziur, na przykład podczas wybuchów gwiazd supernowych.