Astronomové konečně našli první hvězdou černou díru v Omega Centauri

Omega Centauri je obří shluk asi 10 milionů hvězd vázaných k sobě gravitací. Ačkoli astronomové již dříve pomocí Hubbleova teleskopu nalezli důkazy, že v jejím středu se skrývá černá díra střední hmotnosti, modely naznačují, že tato hvězdokupa by měla obsahovat asi 10 000 menších černých děr hvězdné hmotnosti. Tato významná populace černých děr unikla detekci v předchozích studiích, které používaly metodu radiální rychlosti [1] nebo detekce v rádiovém a rentgenovém oboru, kdy hmota padající do černých děr způsobuje jejich záření v těchto částech spektra.

Nový objev využívá odlišný přístup, známý jako astrometrie [2], k měření velmi malých pohybů hvězd v průběhu času. Prohledáním více než 20 let archivních dat z Hubbleova teleskopu a zapojením nejnovějších dat z dalekohledu Jamese Webba k dalšímu zpřesnění astrometrických měření tým lokalizoval hvězdu obíhající kolem neviditelného objektu tak mohutného, že se musí jednat o černou díru. Tento objekt, pojmenovaný oMEGACat BH-2, je první černou dírou o hmotnosti hvězdy, která byla v souhvězdí Omega Centauri objevena, a vykazuje některé překvapivé vlastnosti. oMEGACat BH-2 má nižší hmotnost, než se očekávalo, a spolu se svou viditelnou hvězdnou společnicí tvoří tato dvojice černá díra–hvězda systém s nejdelší oběžnou dobou ze všech dosud známých dvojhvězdných systémů s černou dírou.

Závěry týmu byly publikovány v časopise The Astrophysical Journal Letters.

„Díky datům z kosmických dalekohledů HST a JWST jsme mohli pozorovat pohyb viditelné hvězdy hlavní posloupnosti [3], která je součástí tohoto dvojhvězdného systému, jenž se nachází ve vzdálenosti přibližně 18 000 světelných let v hustém prostředí kulové hvězdokupy Omega Centauri,“ uvedl hlavní autor článku Matthew Whitaker z Univerzity v Utahu v Salt Lake City ve Spojených státech. „Přesnost těchto měření je neuvěřitelná, dosahuje úrovně zlomku pixelu na detektorech obou dalekohledů. Bez těchto dvou vesmírných dalekohledů by nebylo možné tuto černou díru objevit.“

Zjištění týmu upřesňují dřívější studii jiné skupiny vědců, která naznačovala, že tento dvojhvězdný systém zahrnuje neutronovou hvězdu. Rozšířením analyzovaných dat z Hubbleova teleskopu tak, aby zahrnovala astrometrická měření z let 2002 až 2023, a zapojením dat z Webbova teleskopu v blízké infračervené oblasti pro zvýšení přesnosti, se týmu vedenému Univerzitou v Utahu podařilo lépe určit hmotnost temného společníka viditelné hvězdy, čímž vyloučil možnost, že by se jednalo o neutronovou hvězdu.

„I když jsme již věděli, že hvězda má hmotnost 0,78 Slunce, nyní můžeme vypočítat hmotnost druhého objektu, která činí 4,46 sluneční hmotnosti, a je tedy příliš velká na to, aby se jednalo o neutronovou hvězdu. Hmotnost této černé díry je však ve skutečnosti mnohem nižší, než by se dalo očekávat v prostředí s nízkým obsahem kovů, jako je Omega Centauri. To je překvapivé a vzrušující,“ uvedl Anil Seth z Univerzity v Utahu, spoluautor studie. „Nyní víme, že hvězda s nízkým obsahem kovů byla schopna vytvořit takovou černou díru, a musíme přijít na to, jak k tomu dochází. Tento objev poskytuje data těm, kteří se zabývají tímto druhem modelování života hvězd.“

Dlouho očekávaný objev

Na základě přesných dat z kosmických dalekohledů Hubbla a Webba mohl tým zmapovat dráhu hvězdy v průběhu více než 20 let, což se naštěstí odehrálo v době, kdy se hvězda nejvíce přiblížila ke svému společníkovi – černé díře – a pohybovala se po své orbitě nejrychleji. Z rozsáhlých dat tým určil, že viditelná hvězda obíhá kolem oMEGACat BH-2 jednou za 94 let, což z ní činí dvojhvězdu s černou dírou s nejdelší známou oběžnou dobou.

Její dlouhá oběžná doba také poskytuje vodítko k původu tohoto dvojhvězdného systému. Pravděpodobně vznikl dynamicky, což znamená, že hvězda a její černá díra jako společník nezačaly společně, ale spíše se navzájem našly v této hvězdokupě. Vědci vypočítali, že systém jako oMEGACat BH-2 přežije méně než miliardu let, než bude roztrhán gravitací okolních hvězd, což je mnohem kratší doba než stáří hvězdokupy (přibližně 12 miliard let).

„Je důležité porozumět populacím černých děr v kulových hvězdokupách, protože ohledně jejich fyziky a vzniku panuje nejistota,“ uvedl Seth. „Konkrétněji řečeno, pochopení procesu vzniku černých děr a následného dynamického vytváření dvojhvězd je zásadní, protože to ovlivňuje naši schopnost interpretovat a porozumět událostem spojeným s gravitačními vlnami. Prostředí jako Omega Centauri jsou podle nás hlavními místy, kde se dvojhvězdy spojují a vytvářejí tyto vlny.“

Objev hvězdné černé díry oMEGACat BH-2 je teprve začátkem hledání těchto těžko zachytitelných populací černých děr v kulových hvězdokupách.

„Tento nový objev zdůrazňuje nesmírnou historickou hodnotu archivu Hubbleova vesmírného dalekohledu,“ uvedl Maximilian Häberle, postdoktorand v Evropské jižní observatoře (ESO), který vedl zpracování dat z obou dalekohledů. „Jedná se o druhý průlom v rámci naší astrometrické analýzy oMEGACat, který navazuje na potvrzení existence černé díry střední hmotnosti v Omega Centauri.“

Poznámky

[1] Metoda radiální rychosti měří složku rychlosti pohybu objektu, která směřuje od pozorovatele nebo k němu. Pozorováním Dopplerových posunů ve spektrálních čarách mohou astronomové odvodit, jak rychle se objekty od nás vzdalují nebo k nám přibližují. Měření těchto posunů ve světle hvězdy může odhalit přítomnost exoplanet a hnědých trpaslíků obíhajících kolem nich.

[2] Astrometrie měří přesné polohy a pohyby hvězd v průběhu času. Oběžná dráha planety může způsobit, že poloha hvězdy vůči okolním hvězdám v okolí mírně kolísá.

[3] Běžná hvězda vzniká ze shluku prachu a plynu v hvězdné kolébce (emisní mlhovině). V průběhu stovek tisíc let shluk nabývá na hmotnosti, začíná se otáčet a zahřívá se. Když se jádro shluku zahřeje na miliony stupňů, spustí se jaderná fúze. K tomuto procesu dochází, když se dva protony, jádra atomů vodíku, spojí a vytvoří jedno jádro helia. Fúze uvolňuje energii, která hvězdu zahřívá a vytváří tlak, jenž působí proti síle její gravitace. Zrodí se hvězda. Vědci nazývají hvězdu, která ve svém jádru fúzuje vodík na helium, hvězdou hlavní posloupnosti. Hvězdy hlavní posloupnosti tvoří přibližně 90 % hvězdné populace vesmíru. Liší se svítivostí, barvou a velikostí – od desetiny až po 200násobek hmotnosti Slunce – a jejich životnost se pohybuje v řádu milionů až miliard let.

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] esahubble.org