Cygnus X–1: Czarna Dziura w Łabędziu

Polsko-amerykański zespół astronomów, którego liderami są dr hab. Krzysztof Belczyński oraz prof. dr hab. Tomasz Bulik z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego, ogłosił wyniki szczegółowej analizy jednego z najbardziej interesujących układów podwójnych gwiazd w Galaktyce – źródła rentgenowskiego Cygnus X–1 zawierającego masywną czarną dziurę. Naukowcy przewidzieli również burzliwą przyszłość układu w stosunkowo krótkiej, jak na warunki astronomiczne, skali czasowej.

Praca polskich astronomów odbiła się szerokim echem wśród międzynarodowej społeczności naukowej. Informacja i jej omówienie ukazały się m.in. w internetowym serwisie naukowym Science Now prestiżowego amerykańskiego tygodnika naukowego Science.

Znajdujący się w gwiazdozbiorze Łabędzia układ Cygnus X–1 to najsilniejsze źródło promieniowania rentgenowskiego w Galaktyce. Jest to układ dwóch obiegających się gwiazd oddalony od Ziemi o około 6000 lat świetlnych, w którym jasna gwiazda obiega niewidzialnego towarzysza. Masa niewidocznego składnika układu jest na tyle duża, że już wiele lat temu astronomowie przypuszczali, że obiektem tym musi być czarna dziura. Latem 2011 roku nowe, bardzo precyzyjne obserwacje pozwoliły na dużo dokładniejsze wyznaczenie parametrów tego zagadkowego układu. Okazuje się, że niewidocznym obiektem jest istotnie czarna dziura i to o masie równej 15 masom Słońca. Najprawdopodobniej jest to najbardziej masywna czarna dziura, jaka mogła powstać z gwiazdy w naszej Galaktyce. Towarzyszem czarnej dziury jest ogromna, młoda gwiazda o masie 20 mas Słońca. Obiega ona czarną dziurę bliżej niż Merkury okrąża Słońce.

– W ciagu najbliższych 100 000 lat czarna dziura rozpocznie systematyczne niszczenie towarzysza – przewiduje dr hab. Krzysztof Belczyński, lider zespołu badawczego. – Materia z młodej gwiazdy będzie pochłaniana przez czarną dziurę, a to, co nie zdoła wpaść pod jej horyzont zdarzeń, będzie wyrzucone w przestrzeń międzygwiazdową – dodaje.

Proces ten będzie trwał około 400 000 lat, aż do momentu kiedy z masywnego towarzysza pozostanie tylko jądro, ważące zaledwie 4 masy Słońca. Efektem ubocznym tego transferu masy będzie rozszerzenie się orbity, a odchudzony towarzysz odsunie się od czarnej dziury na odległość Ziemia-Słońce. Kolejne 2 miliony lat przebiegną stosunkowo spokojnie. Jednakże po wypaleniu się we wnętrzu towarzysza paliwa jądrowego i ustaniu reakcji termojądrowych podtrzymujących go przy życiu, ulegnie on zniszczeniu w spektakularnym wybuchu gwiazdy supernowej. W wybuchu takim powstaje gwiazda neutronowa o gęstościach tak wielkich, że jej centymetr sześcienny ważyć może kilka ton. W tym momencie przyszłość układu Cygnus X–1 staje pod wielkim znakiem zapytania. Supernowe uwalniają bowiem potężne energie, zdolne rozerwać nawet niezwykle silnie związane układy podwójne gwiazd.

Symulacje wybuchu przeprowadzone przez naukowców z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego pokazały, że asymetrie związane z wybuchem, które mogą nadać nowo utworzonej gwieździe neutronowej prędkość nawet rzędu miliona kilometrów na godzinę, najprawdopodobniej doprowadzą do rozerwania układu, a tym samym zakończenia jego istnienia. Pozostałością systemu będzie samotna czarna dziura i pędząca w pustych przestrzeniach Galaktyki gwiazda neutronowa.

– Jednak układ Cygnus X–1 ma pewną szansę przeżycia i przeistoczenia się w grawitacyjnie związany układ czarna dziura – gwiazda neutronowa – przewiduje dr hab. Krzysztof Belczyński. – Tego typu obiekty, są niezwykle interesujące z punktu widzenia badań tzw. fal grawitacyjnych, przewidzianych przez Alberta Einsteina w 1910 roku, a do dnia dzisiejszego oczekujących potwierdzenia obserwacyjnego – dodaje astronom.

Układy czarna dziura – gwiazda neutronowa obiegając się, tracą energię, ich orbita się zacieśnia, aż w końcu dochodzi do zderzenia gwiazd. Według ogólnej teorii względności zderzenie takie musi wygenerować silne fale grawitacyjne.

– Obserwatoria rejestrujące fale grawitacyjne: europejskie VIRGO oraz amerykańskie LIGO od kilku lat przeczesują czasoprzestrzeń w poszukiwaniu takich właśnie katastrof czy kolizji – mówi prof. Tomasz Bulik, współautor pracy, uczestniczący w tych projektach. Okazuje się jednak, że nawet jeżeli Cygnus X–1 utworzy układ czarna dziura – gwiazda neutronowa, to szanse na to, iż ulegnie on kolizji, są niewielkie – mniejsze niż jeden procent. Odległość składników byłaby bowiem zbyt duża, a tempo tracenia energii zbyt wolne, by doszło do katastrofy.

Praca opisująca badania ukaże się na łamach prestiżowego czasopisma astronomicznego The Astrophysical Journal Letters. Jej elektroniczną wersję można znaleźć w archiwum ArXiv

Informacja w Science Now