Suuresta Magellanin pilvestä löytyi lepotilassa olevan musta aukko

eso2210fi — Tutkimustiedote 18. heinäkuuta 2022, Turku

Kansainvälinen asiantuntijoiden ryhmä, joka on useasti kritisoinut raportoituja mustien aukkojen löytöjä, on nyt löytänyt tähtien massaisen mustan aukon naapurigalaksi Suuresta Magellanin pilvestä. ”Ensimmäistä kertaa tiimimme raportoi mustan aukon löydöstä sen sijaan, että hylkäisi sellaisen”, tutkimuksen johtaja Tomer Shenar sanoi. Lisäksi he havaitsivat, että mustan aukon synnyttänyt tähti katosi ilman merkkejä voimakkaasta räjähdyksestä. Löytö tehtiin Euroopan eteläisen observatorion VLT-teleskoopilla (ESO:n Very Large Telescope) kuuden vuoden aikana tehtyjen havaintojen avulla.

Tämän taiteilijan näkemys kuvaa, miltä kaksoistähtijärjestelmä VFTS 243 voisi näyttää, jos tarkkailisimme sitä läheltä. Järjestelmä, joka sijaitsee Tarantula-sumussa Suuressa Magellanin pilvessä, koostuu kuumasta, sinisestä tähdestä, jonka massa on 25 Auringon massaa, ja mustasta aukosta, jonka massa on vähintään yhdeksänkertainen Aurinkoon verrattuna. Kaksoistähtikomponenttien koot eivät ole mittakaavassa. Todellisuudessa sininen tähti on noin 200 000 kertaa mustaa aukkoa suurempi. Kuva ESO/L. Calçada.

"Tunnistimme 'neulan heinäsuovassa'”, sanoi Shenar, joka aloitti tutkimuksen KU Leuvenissa Belgiassa ^[1] ja on nyt Marie-Curie -tutkijana Amsterdamin yliopistossa Alankomaissa. Vaikka muita vastaavia musta aukko kandidaatteja onkin ehdotettu, tutkimusryhmä sanoo, että tämä on ensimmäinen ”lepotilassa oleva” tähtien massainen musta aukko, joka on yksiselitteisesti havaittu galaksimme ulkopuolelta.

Tähtien massaisia mustia aukkoja muodostuu, kun massiiviset tähdet saavuttavat kehityskaarensa lopun ja romahtavat oman gravitaation vaikutuksesta. Kaksoistähdissä, jotka kiertävät toistensa ympäri, prosessin seurauksena jäljelle jää musta aukko, jota seuralaistähti kiertää. Musta aukko on ”lepotilassa”, jos se ei juurikaan emittoi röntgensäteilyä, josta tällaiset mustat aukot tyypillisesti havaitaan. ”On uskomatonta, että tuskin tunnemme yhtään lepotilassa olevaa mustaa aukkoa, kun otetaan huomioon, kuinka yleisiä tähtitieteilijät uskovat niiden olevan”, yksi artikkelin kirjoittajista Pablo Marchant KU Leuvenista, sanoi. Juuri löydetty musta aukko on vähintään yhdeksän kertaa Auringon massainen, ja kiertää kuumaa, sinistä tähteä, joka painaa 25 kertaa Auringon massan verran.

Lepotilassa olevia mustia aukkoja on erityisen vaikeita havaita, koska ne eivät ole juurikaan ympäristönsä kanssa vuorovaikutuksessa. ”Olemme etsineet yli kahden vuoden ajan tällaisia kaksoismusta-aukkojärjestelmiä”, yksi artikkelin kirjoittajista Julia Bodensteiner, Saksan ESO tutkija, sanoi. ”Olin erittäin innoissani, kun kuulin VFTS 243:sta, joka on mielestäni vakuuttavin tähän mennessä ilmoitetuista ehdokkaista”. ^[2]

VFTS 243:n löytämiseksi tutkimusryhmä tarkasteli lähes tuhatta massiivista tähteä Suuren Magellanin pilven Tarantula-sumun alueelta. He etsivät tähtiä, joilla voisi olla mustia aukkoja kumppaneinaan. Näiden kumppaneiden tunnistaminen mustiksi aukoiksi on erittäin vaikeaa, koska on olemassa niin monia eri vaihtoehtoja.

Tämä on 30 Doradus tähtienmuodostusalueen yhdistelmäkuva, joka tunnetaan myös nimellä Tarantula-sumu. Taustakuva on otettu infrapunassa ja myös se itsessään on yhdistelmäkuva. Se otettiin ESO:n VLT-teleskoopin (VLT) HAWK-I-instrumentilla ja Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy, eli VISTA-teleskoopilla. Siinä näkyy kirkkaita tähtiä ja heikkoja pinkin värisiä kuuman kaasun pilviä. Kuvaan lisätyt ja siinä näkyvät kirkkaan punakeltaiset raidat ovat peräisin ALMA:n (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) radiohavainnoista, jotka paljastavat kylmän ja tiheän kaasun alueita. Nämä voivat myöhemmin romahtaa ja muodostaa tähtiä. Kaasupilvien ainutlaatuinen verkkomainen rakenne on saanut tähtitieteilijät niemämään sumun hämähäkkilajin mukaan. Kuva ESO, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Wong et al., ESO/M.-R. Cioni/VISTA Magellanic Cloud survey. Acknowledgment: Cambridge Astronomical Survey Unit.

”Tutkijana, joka on viime vuosina ollut kriittinen useita musta aukko löytöjä kohtaan, olin erittäin skeptinen tämän löydön suhteen”, Shenar sanoi. Myös toinen tutkija epäili löytöä. Hän oli Kareem El-Badry Harvard & Smithsonian astrofysiikan keskuksesta Yhdysvalloista ja yksi tutkimuksen tekijöistä, ja jota Shenar kutsuu ”mustan aukon hävittäjäksi”. ”Kun Tomer pyysi minua tarkistamaan havaintonsa uudelleen, minulla oli sen suhteen epäilyksiä. Mutta en löytänyt uskottavaa selitystä, joihin musta aukko ei olisi liittynyt”, El-Badry selitti.

Löytö antaa tutkimusryhmälle myös ainutlaatuisen näkymän mustien aukkojen muodostumiseen liittyviin prosesseihin. Tähtitieteilijät uskovat, että tähtien massainen musta aukko muodostuu kuolevan massiivisen tähden ytimen romahtaessa, mutta on edelleen epävarmaa, liittyykö tähän voimakas supernovaräjähdys vai ei.

”Tähti, joka on muodostanut VFTS 243:n mustan aukon, näyttää romahtaneen kokonaan, eikä siinä ole merkkejä aiemmasta räjähdyksestä”, Shenar kertoi. ”Todisteita tästä 'suoran romahduksen' skenaariosta on tullut viime aikoina esille, mutta tutkimuksemme tarjoaa epäilemättä yhden suorimmista viitteistä tähän suuntaan. Tällä on valtavia vaikutuksia mustien aukkojen yhdistymisten alkuperään maailmankaikkeudessa”.

VFTS 243:n musta aukko löydettiin havaitsemalla Tarantula-sumua kuuden vuoden aikana ESO:n VLT:n Fibre Large Array Multi Element Spectrograph, eli FLAMES-instrumentilla ^[3].

Lempinimestään ”mustan aukon poliisi” huolimatta tutkimusryhmä haluaa rohkaista muita kriittiseen tarkasteluun. He toivovat, että heidän tänään Nature Astronomy -lehdessä julkaistu työnsä edesauttaa muiden massiivisia tähtiä kiertävien tähtien massaisten mustien aukkojen löytämisessä, joita ennustetaan olevan Linnunradassa ja Magellanin pilvissä tuhansia.

”Tietenkin odotan, että muut tutkijat tarkastelisivat analyysimme huolellisesti läpi ja yrittävät kehittää vaihtoehtoisia malleja”, El-Badry totesi. ”Tämä on erittäin jännittävä projekti olla mukana.”

Huomautukset

[1] Työ tehtiin Hugues Sanan johtamassa tutkimusryhmässä, KU Leuvenin tähtitieteen instituutissa. 

[2] Erillisessä Laurent Mahyn johtamassa tutkimuksessa, johon osallistui monia samoja tiimin jäseniä, ja joka on hyväksytty julkaistavaksi Astronomy & Astrophysics -lehdessä, ilmoitettiin toisesta lupaavasta tähtien massaisesta musta aukko kandidaatista omassa Linnunrata galaksissamme HD 130298 -järjestelmässä.

[3] Tutkimuksessa tehdyt havainnot on tehty noin kuuden vuoden aikana. Ne koostuvat VLT FLAMES Tarantula Survey -tutkimuksesta (jota johtaa Chris Evans, United Kingdom Astronomy Technology Centre, STFC, Royal Observatory, Edinburgh; nyt Euroopan avaruusjärjestössä) vuosina 2008 ja 2009 tehdyistä havainnoista, sekä Tarantula Massive Binary Monitoring -ohjelmassa (johtajana Hugues Sana, KU Leuven) vuosina 2012-2014 tehdyistä lisähavainnoista.