«Σμήνος» από μικρές μαύρες τρύπες εντόπισε το Hubble. Hubble uncovers concentration of small black holes

Στην «καρδιά» του NGC 6397 οι αστρονόμοι βρήκαν μια συγκέντρωση μικρότερων μαύρων τρυπών αντί για μια μεγάλη μαύρη τρύπα- κάτι που προκάλεσε έκπληξη. Astronomers using the NASA/ESA Hubble Space Telescope have found evidence for dozens of stellar-mass black holes lurking in the core-collapsed, globular cluster NGC 6397, one of the closest globular clusters to Earth. An artist’s impression of a group of stellar-mass black holes in the center of NGC 6397. Image credit: NASA / ESA / Hubble / N. Bartmann.

H ιδέα ότι οι μαύρες τρύπες έρχονται σε διαφορετικά μεγέθη μπορεί να φαντάζει περίεργη στους περισσότερους, δεδομένου και ότι η μαύρη τρύπα εξ ορισμού είναι ένα αντικείμενο που έχει καταρρεύσει υπό την πίεση της βαρύτητας, αποκτώντας σχεδόν άπειρη πυκνότητα. Ωστόσο η ποσότητα της μάζας που μπορεί να συγκεντρώνει μια μαύρη τρύπα ποικίλλει- από μάζα υποδιπλάσια αυτής του ήλιου μας μέχρι δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη. Κάπου ενδιάμεσα υπάρχουν οι IMBH (intermediate-mass black holes- μαύρες τρύπες μεσαίας μάζας), με μάζες από εκατοντάδες μέχρι δεκάδες χιλιάδες φορές μεγαλύτερες αυτής του ήλιου. Οπότε, οι μαύρες τρύπες έρχονται σε μικρά, μεσαία και μεγάλα μεγέθη.

This is an artist's impression created to visualize the concentration of black holes at the center of NGC 6397. In reality, the small black holes here are far too small for the direct observing capacities of any existing or planned future telescope, including Hubble. It is predicted that this core-collapsed globular cluster could be host to more than 20 black holes. Credit: ESA/Hubble, N. Bartmann

Ωστόσο οι IMBH είναι «δύσκολες»: Θεωρείται πως κρύβονται στα κέντρα σφαιροειδών αστρικών συμπλεγμάτων- σμήνη μέχρι και ενός εκατομμυρίου άστρων. Ερευνητές του Hubble αναζήτησαν μια IMBH στο κοντινό σύμπλεγμα NGC 6397 και βρέθηκαν προ εκπλήξεως: Δεδομένου ότι μια μαύρη τρύπα δεν μπορεί να «θεαθεί», μελέτησαν προσεκτικά την κίνηση των άστρων εντός του συμπλέγματος, που θα επηρεαζόταν βαρυτικά από τη βαρυτική έλξη της μαύρης τρύπας. Τα εύρη και τα σχήματα των τροχιών των άστρων οδήγησαν στο συμπέρασμα πως δεν υπάρχει μόνο μία μαύρη τρύπα, μα ένα σμήνος μικρότερων- ένα μίνι σύμπλεγμα στον πυρήνα.

Όσον αφορά στον λόγο που οι μαύρες τρύπες τείνουν να «συναθροίζονται»: Ένα βαρυτικό «φλίπερ» λαμβάνει χώρα μέσα σε σφαιροειδή συμπλέγματα, όπου περισσότερα γιγαντιαία αντικείμενα βυθίζονται στο κέντρο ανταλλάσσοντας ορμές με μικρότερα άστρα, τα οποία μεταναστεύουν μετά στην περιφέρεια του συμπλέγματος. Οι κεντρικές μαύρες τρύπες μπορεί επίσης να συγχωνεύονται, στέλνοντας αναταράξεις στο διάστημα, υπό τη μορφή βαρυτικών κυμάτων.

This image shows the nearby globular cluster NGC 6397, located at a distance of 7,800 light-years in the southern constellation Ara. Image credit: NASA / ESA / T. Brown & S. Casertano, STScI / J. Anderson, STScI.

Στην «καρδιά» του NGC 6397 οι αστρονόμοι βρήκαν μια συγκέντρωση μικρότερων μαύρων τρυπών αντί για μια μεγάλη μαύρη τρύπα- κάτι που προκάλεσε έκπληξη.

Τα σφαιροειδή συμπλέγματα είναι εξαιρετικά πυκνά αστρικά συστήματα, που φιλοξενούν άστρα τα οποία βρίσκονται πολύ κοντά μεταξύ τους. Τα συστήματα αυτά κατά κανόνα είναι πολύ γηραιά- το σύμπλεγμα στο επίκεντρο αυτής της μελέτης, NGC 6397, είναι το ίδιο παλιό με το ίδιο το σύμπαν. Το σύμπλεγμα αυτό βρίσκεται σε απόσταση 7.800 ετών φωτός, κάτι που το καθιστά ένα από τα σφαιροειδή συμπλέγματα που βρίσκονται πιο κοντά στη Γη. Ο πυρήνας του είναι εξαιρετικά πυκνός.

Scientists were expecting to find an intermediate-mass black hole at the heart of the globular cluster NGC 6397, but instead they found evidence of a concentration of smaller black holes lurking there. New data from the NASA/ESA Hubble Space Telescope have led to the first measurement of the extent of a collection of black holes in a core-collapsed globular cluster. The animation featured in this video is an artist’s impression created to visualize the concentration of black holes at the center of NGC 6397. In reality, the small black holes here are far too small for the direct observing capacities of any existing or planned future telescope, including Hubble. It is predicted that this core-collapsed globular cluster could be host to more than 20 black holes. Credit: ESA/Hubble, N. Bartmann

Στην αρχή οι αστρονόμοι θεωρούσαν ότι το σύμπλεγμα φιλοξενούσε μια ΙΜΒΗ. «Βρήκαμε πολύ ισχυρά στοιχεία για μια αθέατη μάζα στον πυκνό πυρήνα του συμπλέγματος, μα μας εξέπληξε το ότι αυτή η μάζα δεν ήταν “τύπου σημείου” (κάτι που θα περίμενε κανείς για μια μεμονωμένη μαύρη τρύπα) μα επεκτεινόταν σε ένα μικρό ποσοστό του μεγέθους του συμπλέγματος» είπε ο Εντουάρντο Βιτράλ, του IAP (Ινστιτούτο Αστροφυσικής του Παρισιού). Για τον εντοπισμό της κρυμμένης αυτής μάζας, οι Βιτράλ και ο Γκάρι Μαμόν, επίσης του ΙΑΡ, χρησιμοποίησαν τις ταχύτητες των άστρων στο σύμπλεγμα για να βρουν την κατανομή της συνολικής μάζας, η οποία είναι η μάζα των ορατών άστρων, καθώς και σε αχνά άστρα και μαύρες τρύπες. Όσο περισσότερη μάζα υπάρχει σε κάποια περιοχή, τόσο πιο γρήγορα κινούνται τα άστρα γύρω της. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν προηγούμενες εκτιμήσεις των κινήσεων των άστρων, αξιοποιώντας δεδομένα του Hubble. «Η ανάλυσή μας έδειξε πως οι τροχιές των άστρων είναι σχεδόν τυχαίες σε όλο το σφαιροειδές σύμπλεγμα, αντί για συστηματικά κυκλικές ή επιμήκεις» είπε ο Μαμόν. Αυτά τα σχήματα περιορίζουν αυτό που πρέπει να είναι η εσώτερη μάζα. Το συμπέρασμα των ερευνητών είναι πως το αθέατο μέρος μπορεί να αποτελείται μόνο από τα απομεινάρια γιγαντιαίων άστρων (λευκών νάνων, αστέρων νετρονίων και μαύρων τρυπών), δεδομένης της μάζας, έκτασης και θέσης του. Αυτά τα αστρικά «πτώματα» προοδευτικά βυθίστηκαν στο κέντρο του συμπλέγματος μετά από βαρυτικές αλληλεπιδράσεις με κοντινά, μικρότερης μάζας άστρα.

«Χρησιμοποιήσαμε τη θεωρία της αστρικής εξέλιξης για να συμπεράνουμε πως το μεγαλύτερο μέρος της επιπλέον μάζας που βρήκαμε ήταν υπό τη μορφή μαύρων τρυπών» είπε ο Μαμόν. Άλλες δύο πρόσφατες μελέτες επίσης υποδεικνύουν πως αστρικά απομεινάρια, ειδικά μαύρες τρύπες αστρικής μάζας, θα μπορούσαν να «κατοικούν» στις εσώτερες περιοχές των σφαιροειδών συμπλεγμάτων. «Η δική μας είναι η πρώτη μελέτη που παρέχει τόσο τη μάζα όσο και την έκταση αυτού που φαίνεται να είναι μια συλλογή κυρίως μαύρων τρυπών στο κέντρο ενός σφαιροειδούς συμπλέγματος με πυρήνα που έχει καταρρεύσει» είπε ο Βιτράλ.

Πηγές:  Eduardo Vitral et al, Does NGC 6397 contain an intermediate-mass black hole or a more diffuse inner subcluster?, Astronomy & Astrophysics (2020). DOI: 10.1051/0004-6361/202039650 - https://phys.org/news/2021-02-hubble-uncovers-small-black-holes.html - https://www.naftemporiki.gr/story/1691908/sminos-apo-mikres-maures-trupes-entopise-tohubble