Hubble finder de bedste beviser for undvigende mellemstort sort hul

Astronomer har fundet de bedste beviser for gerningsmanden til et kosmisk mord:et sort hul af en undvigende klasse kendt som "mellemmasse, " som forrådte sin eksistens ved at rive en egensindig stjerne fra hinanden, der passerede for tæt på.

Vejer omkring 50, 000 gange vores sols masse, det sorte hul er mindre end de supermassive sorte huller (med millioner eller milliarder af solmasser), der ligger i kernerne af store galakser, men større end sorte huller med stjernemasse dannet ved sammenbrud af en massiv stjerne.

Disse såkaldte intermediate-masse sorte huller (IMBH'er) er et længe søgt "missing link" i sort huls evolution. Selvom der har været et par andre IMBH-kandidater, forskere betragter disse nye observationer som det hidtil stærkeste bevis for mellemstore sorte huller i universet.

Det tog den kombinerede kraft fra to røntgenobservatorier og den skarpe vision fra NASAs Hubble-rumteleskop for at fastgøre det kosmiske udyr.

"Sorte huller med mellemmasse er meget undvigende objekter, og derfor er det vigtigt nøje at overveje og udelukke alternative forklaringer for hver kandidat. Det er, hvad Hubble har tilladt os at gøre for vores kandidat, " sagde Dacheng Lin fra University of New Hampshire, hovedforsker af undersøgelsen. Resultaterne offentliggøres den 31. marts, 2020, i The Astrofysiske tidsskriftsbreve .

Historien om opdagelsen lyder som en Sherlock Holmes-historie, involverer den omhyggelige trinvise sagsopbygning, der er nødvendig for at fange den skyldige.

Lin og hans team brugte Hubble til at følge op på spor fra NASAs Chandra X-ray Observatory og ESA's (European Space Agency) X-ray Multi-Mirror Mission (XMM-Newton). I 2006 opdagede disse satellitter en kraftig opblussen af ​​røntgenstråler, men de kunne ikke afgøre, om det stammer fra inde eller uden for vores galakse. Forskere tilskrev det til en stjerne, der blev revet fra hinanden efter at være kommet for tæt på et gravitationskraftigt kompakt objekt, som et sort hul.

Overraskende nok, røntgenkilden, navngivet 3XMM J215022.4?055108, ikke var placeret i en galakse centrum, hvor massive sorte huller normalt ville opholde sig. Dette vakte håb om, at en IMBH var synderen, men først skulle en anden mulig kilde til røntgenudstrålingen udelukkes:en neutronstjerne i vores egen Mælkevejsgalakse, afkøling efter at være blevet opvarmet til en meget høj temperatur. Neutronstjerner er de knuste rester af en eksploderet stjerne.

Hubble blev peget på røntgenkilden for at bestemme dens præcise placering. Dyb, Højopløsningsbilleddannelse giver stærke beviser på, at røntgenstrålerne ikke stammede fra en isoleret kilde i vores galakse, men i stedet i det fjerne, tætte stjernehob i udkanten af ​​en anden galakse - netop den type sted, astronomer forventede at finde en IMBH. Tidligere Hubble-forskning har vist, at massen af ​​et sort hul i midten af ​​en galakse er proportional med værtsgalaksens centrale bule. Med andre ord, jo mere massiv galaksen er, jo mere massivt er dets sorte hul. Derfor, stjernehoben, der er hjemsted for 3XMM J215022.4?055108, kan være den afisolerede kerne af en dværggalakse med lavere masse, der er blevet forstyrret af gravitation og tidevand af dens tætte interaktioner med dens nuværende større galaksevært.

IMBH'er har været særligt vanskelige at finde, fordi de er mindre og mindre aktive end supermassive sorte huller; de har ikke let tilgængelige brændstofkilder, heller ikke en så stærk tyngdekraft til at tegne stjerner og andet kosmisk materiale, som ville frembringe afslørende røntgenstråler. Astronomer er i bund og grund nødt til at fange en IMBH på fersk gerning i færd med at sluge en stjerne. Lin og hans kolleger finkæmmede XMM-Newtons dataarkiv, søger i hundredtusindvis af observationer for at finde én IMBH-kandidat.

Røntgenstrålen fra den revne stjerne gjorde det muligt for astronomer at vurdere det sorte huls masse på 50, 000 solmasser. Massen af ​​IMBH blev estimeret baseret på både røntgenlysstyrke og den spektrale form. "Dette er meget mere pålideligt end at bruge røntgenlysstyrke alene, som det typisk er gjort før for tidligere IMBH-kandidater, " sagde Lin. "Grunden til, at vi kan bruge de spektrale tilpasninger til at estimere IMBH-massen for vores objekt, er, at dens spektrale udvikling viste, at den har været i den termiske spektrale tilstand, en tilstand, der almindeligvis ses og forstås godt i sorte huller med stjernemasse."

This object isn't the first to be considered a likely candidate for an intermediate-mass black hole. In 2009 Hubble teamed up with NASA's Swift observatory and ESA's XMM-Newton to identify what is interpreted as an IMBH, called HLX-1, located towards the edge of the galaxy ESO 243-49. It too is in the center of a young, massive cluster of blue stars that may be a stripped-down dwarf galaxy core. The X-rays come from a hot accretion disk around the black hole. "The main difference is that our object is tearing a star apart, providing strong evidence that it is a massive black hole, instead of a stellar-mass black hole as people often worry about for previous candidates including HLX-1, " Lin said.

Finding this IMBH opens the door to the possibility of many more lurking undetected in the dark, waiting to be given away by a star passing too close. Lin plans to continue his meticulous detective work, using the methods his team has proved successful. Many questions remain to be answered. Does a supermassive black hole grow from an IMBH? How do IMBHs themselves form? Are dense star clusters their favored home?