Gaia detekovala celý roj černých děr putujících Mléčnou dráhou

Nadýchaná hvězdokupa rozlévající se po obloze může mít ve svém srdci skryté tajemství: roj více než 100 černých děr hvězdné hmotnosti. Dotyčná hvězdokupa se nazývá Palomar 5. Je to hvězdný proud, který se táhne přes 30 000 světelných let daleko a nachází se ve vzdálenosti asi 80 000 světelných let.

Kulové hvězdokupy jsou často považovány za „fosilie“ raného vesmíru. Jsou velmi husté a mají kulovitý tvar, obvykle obsahují zhruba 100 000 až 1 milion velmi starých hvězd; některé, jako například NGC 6397, jsou téměř stejně staré jako samotný vesmír.

V každé kulové hvězdokupě se všechny její hvězdy zformovaly současně, ze stejného oblaku plynu. Mléčná dráha má více než 150 známých kulových hvězdokup; tyto objekty jsou vynikajícími nástroji pro studium například historie vesmíru nebo obsahu temné hmoty v galaxiích, kolem kterých obíhají. Existuje však i jiný typ hvězdné skupiny, který si získává stále větší pozornost – slapové proudy – dlouhé řeky hvězd, které se táhnou po obloze.

Dříve bylo obtížné je identifikovat, ale díky datům z vesmírné observatoře Gaia, která s vysokou přesností zmapovala Mléčnou dráhu ve třech rozměrech, bylo odhaleno několik těchto proudů.

„Nevíme, jak tyto proudy vznikají, ale jedna z teorií je, že se jedná o narušené hvězdokupy,“ vysvětlil astrofyzik Mark Gieles z Barcelonské univerzity ve Španělsku v roce 2021, když vědci poprvé oznámili jejich detekci. Žádný z nedávno objevených proudů však nemá spojitost s hvězdokupou, proto si nemůžeme být jisti.

„Abychom tedy pochopili, jak tyto proudy vznikly, musíme studovat jeden z nich s hvězdnou soustavou, která je s ním spojena. Palomar 5 je jediným takovým případem, což z něj činí Rosettskou desku pro pochopení formování proudů, a proto jsme ho podrobně studovali,“ dodává Gieles.

Palomar 5 se jeví unikátní v tom, že má jak velmi široké, volné rozložení hvězd, tak dlouhý slapový proud, který se rozprostírá přes 20 stupňů oblohy, a tak se Gieles a jeho tým zaměřili právě na něj. Tým použil detailní simulace N-těles k rekonstrukci oběžných drah a vývoje každé hvězdy ve hvězdokupě, aby zjistil, jak se mohly dostat tam, kde jsou dnes.

Vzhledem k tomu, že nedávné důkazy naznačují, že v centrálních oblastech kulových hvězdokup by mohly existovat populace černých děr, a jelikož je známo, že gravitační interakce s černými dírami způsobují, že hvězdy jsou vyvrhovány pryč, vědci do některých svých simulací zahrnuli i černé díry.

Jejich výsledky ukázaly, že populace černých děr o hvězdné hmotnosti v Palomaru 5 mohla vést ke konfiguraci, kterou vidíme dnes. Orbitální interakce by hvězdy vymrštily z hvězdokupy do slapového proudu, ale pouze s výrazně vyšším počtem černých děr, než se předpokládalo.

Hvězdy, které by z hvězdokupy unikaly efektivněji a snadněji než černé díry, by změnily podíl černých děr a značně ho zvýšily. „Počet černých děr je zhruba třikrát větší, než se očekávalo na základě počtu hvězd v kupě, a to znamená, že více než 20 procent celkové hmotnosti kupy tvoří černé díry,“ řekl Gieles. „Každá z nich má hmotnost asi 20krát větší než hmotnost Slunce a vznikly při explozích supernov na konci života hmotných hvězd, když byla hvězdokupa ještě velmi mladá.“

Simulace ukázaly, že se hvězdokupa za zhruba miliardu let úplně rozplyne. Těsně předtím, než k tomu dojde, budou z ní zbývat pouze černé díry obíhající kolem galaktického středu. To naznačuje, že Palomar 5 není koneckonců unikátní – úplně se rozpustí do hvězdného proudu, stejně jako další, které jsme objevili.

Naznačuje to také, že stejný osud pravděpodobně nakonec potká i další kulové hvězdokupy. A potvrzuje to, že kulové hvězdokupy mohou být vynikajícími místy pro hledání černých děr, které se nakonec srazí. A také nepolapitelných černých děr střední hmotnosti, které tvoří exempláře mezi černými dírami hvězdné velikosti a supermasivními černými dírami s vysokou hmotností v centrech většiny galaxií.

„Předpokládá se, že velká část splynutí binárních černých děr nastává ve hvězdokupách,“ řekl astrofyzik Fabio Antonini z Cardiffské univerzity ve Velké Británii. „Velkou neznámou v tomto scénáři je, kolik černých děr se v hvězdokupách nachází, což je obtížné omezit pozorováním, protože černé díry nemůžeme vidět. Naše metoda nám umožňuje zjistit, kolik černých děr se v hvězdokupě nachází, a to pohledem na hvězdy, které vyvrhují.“

Výzkum byl publikován v časopise Nature Astronomy.

Zdroj: https://www.sciencealert.com/gaia-detected-an-entire-swarm-of-black-holes-traveling-through-the-milky-way

autor: František Martinek