Priča o galaktičkom kanibalizmu. Otkriće najveće crne rupe nastale od zvijezde.

Mliječna staza dom je stotinama milijardi zvijezda koje se razlikuju po masama, bojama i temperaturama. Zahvaljujući modernim teleskopima poput onih na svemirskoj letjelici Gaia, postižemo sve preciznija opažanja zvijezda, ali i planeta i manjih tijela u našoj galaksiji, piše Lana Ceraj. Gaia je do sada mapirala položaje gotovo 2 milijarde zvijezda, a za to je zaslužan tim europskih znanstvenika iz konzorcija Gaia. Upravo su oni, prilikom standardnih analiza u pripremi nove objave podataka, neočekivano otkrili crnu rupu zvjezdanog porijekla izuzetno velike mase.

• Naslovna fotografija: Svemirski teleskop Gaia (ESA)

• Autorica je astrofizičarka i popularizatorica znanosti, te postdoktorska istraživačica u Laboratoriju za astročestičnu fiziku i astrofiziku Instituta Ruđer Bošković

U travnju ove godine znanstvenici konzorcija Gaia objavili su otkriće crne rupe koja je zasjela na prijestolje najmasivnijih crnih rupa zvjezdanog porijekla naše galaksije. Njezino ime je Gaia BH3 i ima masu od oko 33 sunčeve mase. Trenutno je u pripremi četvrta Gaina objava podataka te su u tijeku validacije rezultata dobivenih algoritmima za obradu podataka s Gainih teleskopa. Upravo u tom koraku validacije, na temelju analiza vezanih uz gibanja zvijezda u dvojnim sustavima, otkrivena je ova masivna crna rupa.

Karta Galaksije konstruirana je na temelju opažanja teleskopima svemirske letjelice Gaia. U smjeru zviježđa Orla otkrivena je crna rupa zvjezdanih masa nazvana Gaia BH3. Ta crna rupa nalazi se u dvojnom sustavu, a pratitelj joj je zvijezda bojom slična Suncu. Bijele točke na lijevom grafikonu prikazuju Gaina promatranja položaja te zvijezde u različitim trenucima tijekom razdoblja od oko 5 godina. Žuta linija prikazuje astrometrijsku orbitu zvijezde u odnosu na crnu rupu, koja je označena s četiri strelice. Desni grafikon prikazuje mjerenja radijalne brzine ovisno o vremenu mjerenja. Ti podaci zajedno omogućili su mjerenje mase crne rupe Gaia BH3, kao i preciznije određivanje orbite zvijezde pratiteljice. (ESA/Gaia/DPAC)

Astrometrijsko određivanje mase crne rupe kao što je Gaia BH3 uključuje precizno mjerenje položaja i kretanja zvijezde pratiteljice tijekom vremena. Korištenjem Gainih podataka, znanstvenici mogu analizirati kolebanje zvijezde uzrokovano gravitacijskim utjecajem crne rupe. Na temelju tih kolebanja, uz dodatne potvrde na temelju opažanja drugim teleskopima, može se točno procijeniti masa crne rupe. U slučaju crne rupe Gaia BH3, astrometrijska mjerenja pokazala su da je kolebanje pratiteljske zvijezde u skladu s prisutnošću vrlo masivne crne rupe, što je potvrđeno detaljnom analizom Gainih spektroskopskih i fotometrijskih podataka. Ovo otkriće iznenadilo je znanstvenike jer tako masivna crna rupa zvjezdanih masa nije tipična za našu galaksiju. No, krenut ćemo polako. Prvo ću objasniti što su crne rupe zvjezdanih masa i kako nastaju.

Život zvijezde započinje u oblacima međuzvjezdanog plina i prašine koji se, u slučaju kada tamo nastaje mnogo zvijezda, nazivaju zvjezdorodnim maglicama. Tamo, pod utjecajem sile gravitacije, oblaci započinju upadati prema središtu mase i kroz period od nekoliko stotina tisuća do milijuna godina u samom središtu nastane (barem jedna) zvijezda. Životni ciklusi nama bliskih zvijezda relativno su dobro poznati astrofizičarima, kao i kakvim događajima završavaju. Primjerice, zvijezde slične Sunce svoj život će završiti kao bijeli patuljci, dok će jako masivne zvijezde, s masama barem 8 puta većim od mase Sunca, eksplodirati kao supernove, a iza sebe ostaviti neutronsku zvijezdu ili crnu rupu. Iako se crne rupe u popularnim tekstovima često opisuju kao egzotične pojave zbog svoje sposobnosti da zakrivljuju prostor-vrijeme, one su zapravo uobičajen i očekivan rezultat prirodnog razvoja masivnih zvijezda.

Životni ciklusi zvijezda sličnih Suncu (lijevo) i onih mnogo masivnijih od Sunca (desno). (NASA/ Night Sky Network)

Možda ste primijetili zagradu s natpisom “barem jedna” u prošlom paragrafu, kada sam opisivala nastanak zvijezde u središtu kolabirajućeg oblaka plina i prašine. Motivacija iza toga je otkriće da više od 50% zvijezda u Mliječnoj stazi nalazimo u višestrukim sustavima. To znači da umjesto jedne zvijezde zapravo imamo dvije ili više zvijezda koje kruže oko zajedničkog centra mase. Najbolji primjer je nama najbliži zvjezdani sustav Alfa Kentaura[1] koji je od nas udaljen svega 4,5 godine svjetlosti[2]. U samom središtu tog sustava nalaze se dvije zvijezde slične Suncu koje jedna oko druge kruže po izduženim orbitama te im je za jedan prolazak potrebno čak 79 godina. No, te dvije zvijezde imaju i treću pratilju, nama službeno najbližu zvijezdu Proksimu Kentaura. Ona se oko njih giba na udaljenosti od čak 12 950 astronomskih jedinica što je oko 430 puta veća udaljenost nego udaljenost od Sunca do Neptuna.

Prikaz orbita zvijezda u sustavu Alfa Kentaura, nama najbližem višestrukom sustavu zvijezda. Alfa Kentaura A, Alfa Kentaura B i Proksima Kentaura zajedno tvore kompleksan gravitacijski sustav koji pruža uvid u dinamiku složenih zvjezdanih sustava.

U dvojnim sustavima ponekad umjesto jedne od zvijezda nalazimo crnu rupu. Takvi dvojni sustavi mogu izgledati različito ovisno o tome koliko su zvijezda i crna rupa međusobno udaljene. Ako su zvijezda i crna rupa relativno daleko jedna od druge, vidjet ćemo svjetlost zvijezde, a o postojanju crne rupe možemo zaključiti na temelju gibanja zvijezde. Na taj način je otkrivena upravo crna rupa Gaia BH3. S druge strane, postoje i rendgenski dvojni sustavi (engl. X-ray binaries). Kod njih su zvijezda i crna rupa međusobno toliko bliske da crna rupa počinje akumulirati materijal zvijezde. Na taj način crna rupa nagomilava disk materijala oko sebe iz kojeg se oslobađaju snažne rendgenske zrake koje se mogu detektirati rendgenskim teleskopima. Jedan takav sustav je domaćin crne rupe Labud X-1 (engl. Cygnus X-1), koja je sa svojom 21 sunčevom masom nosila titulu najmasivnije crne rupe zvjezdanog porijekla sve do otkrića crne rupe Gaia BH3. Otkrićem crne rupe Gaia BH3, ona je postala najmasivnija poznata crna rupa zvjezdanog porijekla u našoj galaksiji, ali je također otvorila brojna pitanja, neka od kojih su vezana uz njezino porijeklo i mehanizme koji su doveli do njezina nastanka.

Usporedba masa crne rupe Gaia BH1, nama najbliže crne rupe, s masama crnih rupa Labud X-1 i Gaia BH3, do sad najmasivnije otkrivene crne rupe zvjezdanog porijekla u Mliječnoj stazi. (ESO/M. Kornmesser)

Crne rupe koje nastaju u nama bliskom svemiru rezultat su eksplozija vrlo masivnih zvijezda koje imaju masu najmanje 20 puta veću od mase Sunca. Kao rezultat eksplozija tih zvijezda u našoj galaksiji[3] nastaju crne rupe čija masa iznosi oko 10 sunčevih masa. Stoga ne čudi da je otkriće crne rupe Gaia BH3, čija je masa tri puta veća od prosjeka, potaknulo brojna pitanja o njezinom porijeklu. S druge strane, zahvaljujući laserskim interferometrima LIGO i Virgo, otkriveno je da crne rupe u dvojnim sustavima međusobno vrlo bliskih crnih rupa u drugim galaksijama imaju mase između 30 i 85 sunčevih masa. Iako u pozadini otkrivanja crnih rupa ima mnogo opažačkih efekata koji čine da su pojedine metode opažanja naklonjenije detekciji crnih rupa u određenom rasponu masa, ova razlika između masa crnih rupa pronađenih u našoj galaksiji i drugim galaksijama sugerira da crna rupa Gaia BH3 ili pak zvijezda od koje je nastala možda nisu oduvijek bile dio naše galaksije.

U potrazi za odgovorom na pitanje porijekla crne rupe Gaia BH3, znanstvenici konzorcija Gaia usmjerili su pažnju na zvijezdu u dvojnom sustavu u kojem je ona pronađena. Činjenica da su ta crna rupa i zvijezda gravitacijski vezane u dvojni sustav sugerira da su nastale iz iste zvjezdorodne maglice, što znači da su imale sličan sastav prilikom nastanka. Taj se sastav danas može analizirati proučavanjem spektra preživjele zvijezde. Spektralna analiza pokazuje da je preživjela zvijezda, iako slična Suncu po boji, nekoliko puta starija i ima izuzetno nizak metalicitet u usporedbi sa zvijezdama Mliječne staze. Ove informacije su potvrđene dodatnim opažanjima korištenjem nekoliko teleskopa.

Dvojni sustav crne rupe Gaia BH3 i njezine zvijezde pratiteljice pronađen je udaljenosti od oko 2000 godina svjetlosti u smjeru zviježđa Orla. Za jedan ophod jedne oko druge potrebno im je oko dvanaest godina. Gaia BH3 je nama druga najbliža crna rupa do sad otkrivena. (ESO/L. Calcada)

Metalicitet masivnih zvijezda igra ključnu ulogu u njihovom razvoju, životnom vijeku i tome kolika će biti konačna masa crnih rupa koje od njih nastaju. Zvijezde s niskim metalicitetom gube manje mase tijekom svog života, što omogućuje razvitak masivnijih crnih rupa u usporedbi sa zvijezdama visokog metaliciteta, koje su česte u Mliječnoj stazi. Stoga je jedno od objašnjenja za veliku masu crne rupe Gaia BH3 upravo to da je nastala od zvijezde niskog metaliciteta koja je svoj život započela prije više od 10 milijardi godina. To objašnjenje poduprijeto je podacima na temelju analize Gainih spektroskopskih podataka. No, kako se uopće ovaj dvojni sustav našao u Mliječnoj stazi?

Usporedbom gibanja zvijezda u istom području neba i gibanja dvojnog sustava s crnom rupom Gaia BH3 utvrđeno je da se ovaj dvojni sustav giba retrogradno u odnosu na rotaciju Mliječne staze. No, u tome nije sam. U tom predjelu neba postoji i nekoliko skupina zvijezda koje se također gibaju u istom smjeru kao ovaj sustav. Dodatna usporedba kemijskog sastava zvijezde u dvojnom sustavu sa zvijezdama tih skupina pokazala je da se sastav zvijezde pratiteljice crne rupe BH3 slaže sa sastavom zvijezda zvjezdanog toka poznatog od ranije pod imenom ED-2. Analiza predstavljena u dodatnom članku znanstvenika konzorcija Gaia demonstrirala je vezu crne rupe BH3 s tokom ED-2, koji je izgledno nastao tako što je naša galaksija razorila neku patuljastu galaksiju ili pak kuglasti skup zvijezda. Gaia BH3 je time postala prva crna rupa nedvosmisleno povezana s razorenim skupom zvijezda, što nam pomaže razumjeti razvoj zvijezda u različitim uvjetima i raspodjelu zvjezdanih ostataka unutar naše galaksije.

Otkriće crne rupe Gaia BH3 otvorilo je mnoga pitanja, ali je također pružilo značajan uvid u složenost i raznolikost naše galaksije. Poklapanje opažene mase ove crne rupe s rasponom masa crnih rupa opaženih putem gravitacijskih valova ukazuje da dijele slično porijeklo. Ovo otkriće predstavlja značajan napredak u razumijevanju dvojnih sustava s crnim rupama te pomaže u testiranju i poboljšavanju postojećih modela razvoja zvijezda. Svemirska letjelica Gaia igra ključnu ulogu u otkrivanju i proučavanju takvih sustava, čime otvara nove horizonte u astrofizici.

• Bilješke

[1] Zvjezdani sustav Alfa Kentaura postao je središnja tema nedavno objavljene serije “Problem triju tijela”. Međutim, kako je sam autor napomenuo, stvarni sustav nije toliko nestabilan kao što je prikazano u knjizi. Dvije glavne zvijezde, Alfa Kentaura A i B, imaju relativno stabilnu orbitu jedna oko druge, dok Proksima Kentaura ima vrlo malu gravitacijsku interakciju s glavnim zvijezdama.

[2] Ako ste više naviknuti razmišljati u kilometrima, 4,5 svjetlosne godine iznosi tek 42 573 287 126 610 km, odnosno oko 42 bilijuna kilometara. Ukoliko ste slučajno nedavno kupili trenutno najbrži auto na svijetu koji može voziti brzinom od oko 530 km/h, za prevaliti ovu udaljenost trebat će vam oko 9 milijuna godina.

[3] Bitno je spomenuti da je većina crnih rupa zapravo opažena indirektno, primjerice kroz gravitacijsku interakciju sa zvijezdama, budući da same crne rupe ne zrače svjetlost i kao takve su nevidljive teleskopima. Tek je izgradnjom velikih laserskih interferometara LIGO (engl. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) u SAD-u i Virgo u Italiji, koji su pušteni u pogon 2015. godine, otvoren novi prozor u svemir – onaj koji omogućuje proučavanje tamnih kutaka svemira tako što opaža gravitacijske valove. Ti valovi dolaze od masivnih tijela u svemiru koja ubrzavaju, uključujući crne rupe, a najvećeg su intenziteta neposredno prije ekstremnih događaja kao što su sudari crnih rupa. Laserski interferometri do danas su detektirali preko 80 sudara crnih rupa, što je omogućilo određivanje njihovih svojstava kao što je primjerice masa crnih rupa prije i nakon sudara.

• Literatura

Panuzzo, P. et al. (2024). “Discovery of a dormant 33 solar-mass black hole in pre-release Gaia astrometry“, A&A, 686, L2

Fryer, C.L. (1999) “Mass Limits for Black Hole Formation“, The Astrophysical Journal, 522:413 – 418

Balbinot, E., et al. (2024) “The 33 Msol black hole Gaia BH3 is part of the disrupted ED-2 star cluster“, A&A, u procesu recenzije

Dong, X., et al. (2024) “Mass function of stellar black holes as revealed by the LIGO-Virgo-KAGRA observations“, AAS, u procesu recenzije

Romagnolo, A. , et al. (2024) ” On the maximum black hole mass at solar metallicity“, The Astrophysical Journal Letters, 964:L23