Wyobraź sobie, że w twoim mieście żyją tysiące niewidzialnych mieszkańców. Nie świecą, nie odbijają światła, nie zostawiają śladów na zdjęciach. Jedyny sposób, by zorientować się, że są obok, to patrzeć na to, jak wpływają na innych: czy ktoś na chwilę przyspieszył krok, czy komuś drgnęła kierownica, czy nagle zmienił się kierunek ruchu. Mniej więcej tak wygląda problem z samotnymi czarnymi dziurami w naszej Galaktyce. Teoretycznie powinno ich być bardzo dużo, ale prawie wszystkie znane czarne dziury rozpoznajemy dlatego, że mają towarzysza i „robią hałas”, bo na przykład świecą w promieniach X, gdy wysysają materię z sąsiedniej gwiazdy. Samotna, nieaktywna czarna dziura jest niemal idealnie cicha.

W tej ciszy zostaje jedna wskazówka: grawitacja. Gdy masywny, ciemny obiekt przejdzie prawie idealnie na linii wzroku między nami a odległą gwiazdą, działa jak kosmiczna lupa i na krótko wzmacnia jej jasność. To zjawisko nazywa się mikrosoczewkowaniem. Działa dla planet, brązowych karłów i zwykłych gwiazd. Działa też dla czarnych dziur. Problem w tym, że samo zwiększenie jasności nie mówi wprost, że to była czarna dziura. Wskazówką może być długi czas trwania zjawiska, bo cięższy obiekt zwykle soczewkuje dłużej, ale długie zdarzenie może też wynikać z geometrii, odległości albo prędkości ruchu. Innymi słowy, patrzenie tylko na długość błyśnięcia to zbyt słaba selekcja.

Jak wskazują astrofizycy z Chin wraz z dr. Przemysławem Mrozem z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego w artykule w The Astrophysical Journal (doi: 10.3847/1538-4357/ae274d), już wkrótce pojawi się narzędzie, które potrafi z takich zdarzeń wyciągać więcej niż tylko słabe błyśnięcia. To GRAVITY+, czyli ulepszona wersja instrumentu GRAVITY pracującego w ramach Very Large Telescope Interferometer. VLTI to nie pojedynczy teleskop, tylko układ kilku teleskopów (do 8,2 m) w obserwatorium Paranal w Chile, których obrazy łączy się w jeden. Dzięki temu rozdzielczość odpowiada instrumentowi o efektywnej średnicy równej odległości między teleskopami (tzw. bazie), czyli ponad stu metrów.

Co to daje przy mikrosoczewkowaniu? W klasycznych danych fotometrycznych widzimy tylko jak jasność gwiazdy rośnie i spada, co często nie wystarcza do wyznaczenia masy niewidocznej soczewki. Interferometr może pójść krok dalej. Podczas przejścia masywnego obiektu powstają dwa bardzo bliskie obrazy gwiazdy, bo światło jest skupiane po obu stronach soczewki. Gwiazda w tle nie tyle świeci mocniej, co jej obraz jest minimalnie rozciągany i przesuwany przez grawitacyjną lupę. GRAVITY+ ma szansę zmierzyć te mikroskopijne przesunięcia (albo nawet rozdzielić obrazy), a z takiej geometrii wyliczyć parametry potrzebne do oszacowania masy soczewkującego obiektu.

Jeśli GRAVITY+ ma działać na dużą skalę, to nie może analizować setek zdarzeń, z których większość okaże się zwykłymi gwiazdami. Czas obserwacji jest cenny, a mikrosoczewkowanie dzieje się codziennie w wielkich przeglądach nieba, takich jak Optyczny Eksperyment Soczewkowania Grawitacyjnego, prowadzony w Las Campanas w Chile przez Obserwatorium Uniwersytetu Warszawskiego. Ważne jest więc ustalenie kryteriów, które zwiększą szansę wyboru zdarzeń z udziałem czarnych dziur, a odrzucą większość nieistotnych.

Pomysł opiera się na dwóch informacjach z krzywej blasku. Pierwsza to czas trwania zdarzenia. Druga to tzw. paralaksa mikrosoczewkowania, czyli ślad tego, że Ziemia w trakcie zdarzenia porusza się po orbicie. Ten ruch działa jak delikatna zmiana punktu widzenia i zostawia asymetrię w przebiegu zmian jasności. Idealnie byłoby mierzyć paralaksę z dwóch odległych miejsc (np. Ziemia i satelita), ale autorzy pokazują, że nawet bez satelity da się wykorzystać tę składową paralaksy, którą najłatwiej uchwycić z danych naziemnych. Następnie łączą ją z czasem trwania sygnału w prosty test, czy dane zdarzenie poddać analizie.

Astrofizycy przetestowali założenia na symulacjach Galaktyki i sztucznych katalogach zdarzeń, żeby sprawdzić, ile czarnych dziur dałoby się tak wyłowić i ile byłoby fałszywych trafień. Przy takim kryterium GRAVITY+ miałby śledzić kilkadziesiąt starannie wybranych zdarzeń rocznie, by dostać rząd wielkości kilkunastu izolowanych czarnych dziur z pomiarem masy w ciągu roku. Pojedyncza czarna dziura jest ciekawostką, ale kilkadziesiąt to już narzędzie. Rozkład mas, odległości i prędkości takich obiektów mówi o tym, jak kończą życie masywne gwiazdy, czy czarne dziury są odrzucane przy narodzinach i jak mieszają się w dysku i zgrubieniu Galaktyki. Badacze zaznaczają, że jeśli te odrzuty byłyby duże, skuteczność selekcji spada, a sama liczba wykrytych obiektów zacznie coś mówić o fizyce ich powstawania.

Jeśli GRAVITY+ rzeczywiście otworzy epokę seryjnego znajdywania samotnych czarnych dziur i pomiaru ich mas, to kluczowe okaże się nie tylko to, jak dobrze widzi instrument, ale też jak mądrze wybieramy, gdzie patrzeć. (PAP)

Nauka w Polsce

kmp/ agt/