Za astronome koji za crnim rupama ovo su uzbudljiva vremena kad njihov posao cvjeta. Najveće, supermasivne crne rupe koje mogu imati masu i milijardama puta veću od mase Sunca, pronađene su u središtima gotovo svake galaksije, a astronomi su uspjeli čak i predočiti jednu.
U međuvremenu, znanstvenici sad već rutinski otkrivaju gravitacijske valove koji putuju kroz svemir iz manjih crnih rupa koje se spajaju. Bliže našem dijelu svemira, svjedočili smo i dramatičnom nebeskom vatrometu, koji nastaje kad se supermasivna crna rupa Mliječne staze i njezini manji rođaci hrane oblacima plina, ili čak cijelim zvijezdama. Međutim, nikada prije nismo vidjeli dugo predviđani fenomen: izoliranu crnu rupu koja besciljno putuje svemirom.
Tako je barem bilo sve dosad.
Vrh "sante leda"
Znanstvenici su najavili prvo nedvosmisleno otkriće slobodno plutajuće crne rupe, lutalice u praznini na udaljenosti otprilike 5000 svjetlosnih godina od Zemlje. Istraživanje, koje se pojavilo 31. siječnja na znanstvenom repozitoriju arXiv, ali još nije recenzirano, predstavlja kulminaciju više od desetljeća gorljivog pretraživanja svemira.
To je super uzbudljivo. Zapravo možemo dokazati da izolirane crne rupe postoje, kaže autorica istraživanja Marina Rejkuba iz Europskog južnog opservatorija u Njemačkoj. To otkriće može biti i tek samo početak, jer se očekuje da će tekuća istraživanja i nadolazeće misije pronaći još desetke ili čak stotine mračnih, usamljenih putujućih crnih rupa.
To je vrh sante leda, kaže Kareem El-Badry iz Harvard-Smithsonian Centra za astrofiziku, koji nije sudjelovao u istraživanju.
Od teorije, preko eksperimenta, do otkrića
Godine 1919. britanski astronom Arthur Stanley Eddington izveo je poznati eksperiment. Einsteinove teorije specijalne i opće relativnosti sugerirale su da bi masivni objekti trebali uzrokovati udubljenje u prostor-vremenu, savijajući obližnje zrake svjetlosti u procesu poznatom kao gravitacijska leća. Eddington je to dokazao tijekom potpune pomrčine Sunca, kada je sunčev odsjaj bio minimiziran tako da su se mogle vidjeti pozadinske zvijezde koje se nalaze uz njega na nebu. Koristeći tehniku poznatu kao astrometrija, pažljivo je zabilježio položaje ovih zvijezda prije i tijekom pomrčine, otkrivajući suptilnu promjenu u njihovim prividnim lokacijama na nebu zbog njihove svjetlosti koja je izobličena značajnim gravitacijskim privlačenjem naše zvijezde.
U narednim desetljećima znanstvenici su dokučili i novu uporabu te tehnike. Zvijezde čija je masa oko 20 puta veća od mase našeg Sunca trebale bi se na kraju svog života formirati u crne rupe, kad se njihove teške jezgre uruše pod vlastitom težinom nakon iscrpljivanja njihovog termonuklearnog goriva. Rođenje takve crne rupe zvjezdane mase, sfere veličine grada koja sadrži masu i do desetke puta veću od sunčeve mase, često je popraćeno sjajnom supernovom, ogromnih energija koje se oslobađaju urušavanjem jezgre.
Te sile mogu biti toliko velike da ponekad izbace novorođenu crnu rupu ravno iz njezine utrobe na beskrajnom međuzvjezdano krstarenje. Male veličine tih crnih rupa i inherentna tama, trebale bi ih učiniti gotovo nemogućim za vidjeti.
Eddingtonov rad, međutim, sugerirao je da se ti kozmički izopćenici mogu pronaći promatranjem njihovih učinaka leće, obično otkrivajućeg prolaznog posvjetljenja bilo koje pozadinske zvijezde preko kojih crne rupe lete u našem vidnom polju. Izgledi da se takav događaj primijeti za izoliranu crnu rupu bili su mali, ali s obzirom na to da se predviđa da milijuni crnih rupa zvjezdanih masa lebde kroz našu galaksiju, postojala je mogućnost da bi se neke mogle pojaviti u dovoljno širokim i dubokim pregledima zvjezdanog neba.
Nekoliko projekata sada traži ove i druge takozvane događaje mikrolećenja, uključujući Optical Gravitation Lensing Experiment (OGLE), koji vodi Sveučilište u Varšavi u Poljskoj te istraživanje Microlensing Observations in Astrophysics (MOA), koje vode znanstvenici s Novog Zelanda i Japana. U lipnju 2011. ta dva istraživanja uočila su nešto značajno: zvijezdu koja je iznenada posvijetlila, udaljenu 20.000 svjetlosnih godina prema gusto zbijenoj galaktičkoj izbočini u središtu Mliječne staze. Je li to mogao biti događaj mikrolećenja iz lažne crne rupe? Astronomi su vodili utrku da to otkriju.
I još jednom - Hubble!
Među njima je bio i Kailash Sahu sa Znanstvenog instituta za svemirske teleskope u Baltimoreu, vodeći autor istraživanja objavljenog na arXiv-u, u kojem su opisani detalji otkrića. Koristeći Hubble svemirski teleskop, on i njegovi kolege zumirali su zvijezdu u roku od nekoliko tjedana nakon što je posvijetlila, a zatim su joj se vraćali iznova i iznova tijekom sljedećih šest godina.
Uspjeli su potvrditi da je svjetlost zvijezde povećana, ukazujući na prisutnost nevidljive leće, ali su otkrili i nešto još važnije. Prividni položaj zvijezde u svemiru pomaknuo se za neznatnu količinu. Učinak je bio 1000 puta manji od onoga što je Eddington izmjerio, kaže Sahu, i bio je blizu granica Hubbleovih mogućnosti. Nešto skriveno je pojačalo i izobličilo svjetlost zvijezde.
Što je bio najbolji kandidat za to? Nevidljiva crna rupa zvjezdane mase, 7.1 puta veća od mase našeg Sunca.
Nije bilo druge mogućnosti osim crne rupe, kaže Sahu. Dvije stvari su bile potrebne da se potvrdi da je to slučaj. Prvi kriterij je bio da iz leće ne smije dolaziti svjetlost, kaže Sahu, kako bi se isključili prozaičniji objekti poput smeđih patuljaka (propalih zvijezda). Drugi je bio da bi učinak povećanja trebao trajati dugo, s obzirom na veliku veličinu gravitacijske sfere utjecaja crne rupe. Događaj u lipnju 2011., koji traje oko 300 dana, odgovarao je tome.
Kreće se velikom brzinom
Količina lećenja i skretanja svjetlosti od zvijezde tada je omogućila Sahuu i njegovim suradnicima da odrede masu sumnjive crne rupe na nešto više od sedam solarnih masa. To je stavlja u središte onoga što astronomi očekuju u slučaju crnih rupa zvjezdanih masa, kaže Özel.
Tim je također mogao izračunati brzinu te crne rupe. Kreće se brzinom od oko 45 kilometara u sekundi, kaže Sahu. To je relativno brzo u usporedbi s obližnjim zvijezdama, upravo ono što bi se očekivalo da je crna rupa dobila nakon izbacivanja iz umiruće masivne zvijezde. Nije jasno kada je ta crna rupa nastala, ali to može biti otprilike prije 100 milijuna, kaže Sahu, no naglašava da je to nemoguće točno reći, jer ne znaju gdje se to dogodilo.
Masa ove crne rupe nudi dodatne dokaze da su modeli formiranja astrofizičara točni i da se usamljene crne rupe mogu uzdići iz pepela njihovih posebno teških zvjezdanih praočeva. Moguće je, međutim, da se ove crne rupe također mogu formirati u binarnim sustavima prije nego što postanu nomadi u kozmičkoj praznini.
Porijeklo - nepoznato
No to za navedenu lutajuću crnu rupu jednostavno nije bilo moguće utvrditi. Ono što je sigurno jest da će pronalaženje više izoliranih crnih rupa omogućiti istraživačima da detaljnije ispitaju i preciziraju te modele.
Nikada nismo bili u mogućnosti proučavati usamljene crne rupe. Dakle, ovaj novi način njihovog pronalaženja i mogućnosti određivanja njihove mase je definitivno uzbudljiv. Formiraju li se drugačije? Je li njihova masovna distribucija drugačija?, ističe samo dio i dalje otvorenog niza pitanja o tim objektima Özel.
Odgovori na takva pitanja mogli bi stići vrlo brzo. Gaia teleskop Europske svemirske agencije (ESA) trenutno preslikava položaje milijardi zvijezda u Mliječnoj stazi. 2025. znanstvenici na projektu objavit će podatke o lećenjima iz svojih promatranja, za koje se očekuje da će sadržavati dokaze za mnogo više usamljenih crnih rupa koje kruže našom galaksijom.
Gaini podaci bit će slične ili čak bolje kvalitete od Hubbleovih, kaže Łukasz Wyrzykowski sa sveučilišta u Varšavi, koautor navedene studije, koji s Gaiom također lovi lutajuće crne rupe. Predstojeći podaci, procjenjuje, sadržavat će desetke dodatnih kandidata.
Opservatorij Vera C. Rubin u Čileu, koji bi sljedeće godine trebao započeti 10-godišnje istraživanje noćnog neba, također bi trebao pridonijeti urodu odmetnutih crnih rupa, kao i NASA-in svemirski teleskop Nancy Grace Roman, koji će u svemir biti lansiran 2027. godine.
Zasad ovo tamno otkriće astronoma predviđa svijetlu budućnost potrazi za tim objektima. Lažne crne rupe zvjezdane mase, dugo predviđene, ali tek sada opservacijski potvrđene, mogle bi biti dovoljno česte u našoj galaksiji da podrže demografske studije o njihovoj populaciji. Određivanje njihovog pravog obilja, mase i drugih svojstava moglo bi poduprijeti naše još uvijek nepotpune teorije zvjezdane evolucije, ili otkriti važne nove praznine u našem razumijevanju.
Čekali smo ovo otkriće puno, puno godina. To pokazuje da ova metoda djeluje. Gravitacijsko mikrolećenje je način da se pronađu te izolirane crne rupe, ističe Wyrzykowski.
Izvor: Scientific American
