Astronomer finder en sollignende stjerne, der kredser om et nærliggende sort hul

I 1916 teoretiserede Karl Schwarzchild eksistensen af ​​sorte huller som en løsning på Einsteins feltligninger for hans almene relativitetsteori. I midten af ​​det 20. århundrede begyndte astronomer for første gang at opdage sorte huller ved hjælp af indirekte metoder, som bestod i at observere deres virkninger på omgivende objekter og rummet. Siden 1980'erne har forskere studeret supermassive sorte huller (SMBH'er), som befinder sig i centrum af de fleste massive galakser i universet. Og i april 2019 frigav samarbejdet Event Horizon Telescope (EHT) det første billede nogensinde taget af en SMBH.

Disse observationer er en mulighed for at teste fysikkens love under de mest ekstreme forhold og give indsigt i de kræfter, der formede universet. Ifølge en nylig undersøgelse har et internationalt forskerhold baseret sig på data fra ESA's Gaia-observatorium for at observere en sollignende stjerne med mærkelige kredsløbskarakteristika. På grund af arten af ​​dets kredsløb konkluderede holdet, at det må være en del af et sort hul binært system. Dette gør det til det nærmeste sorte hul til vores solsystem og antyder eksistensen af ​​en betydelig population af slumrende sorte huller i vores galakse.

Forskningen blev ledet af Kareem El-Badry, en Harvard Society Fellow-astrofysiker ved Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) og Max Planck Institute for Astronomy (MPIA). Han fik selskab af forskere fra CfA, MPIA, Caltech, UC Berkely, Flatiron Institute's Center for Computational Astrophysics (CCA), Weizmann Institute of Science, Observatoire de Paris, MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research og flere universiteter. Papiret, der beskriver deres resultater, vil blive offentliggjort i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

Som El-Badry forklarede til Universe Today via e-mail, var disse observationer en del af en bredere kampagne for at identificere slumrende sorte hul-ledsager til normale stjerner i Mælkevejsgalaksen. "Jeg har ledt efter sovende sorte huller i de sidste fire år ved hjælp af en bred vifte af datasæt og metoder," sagde han. "Mine tidligere forsøg viste et mangfoldigt menageri af binære filer, der udgiver sig som sorte huller, men det var første gang, eftersøgningen har båret frugt."

Af hensyn til denne undersøgelse stolede El-Badry og hans kolleger på data indhentet af Den Europæiske Rumorganisations (ESA) Gaia-observatorium. Denne mission har brugt næsten et årti på at måle positioner, afstande og egenbevægelser af næsten 1 milliard astronomiske objekter, såsom stjerner, planeter, kometer, asteroider og galakser. Ved at spore bevægelsen af ​​objekter, når de kredser om Mælkevejens centrum (en teknik kendt som astrometri), sigter Gaia-missionen på at konstruere det mest nøjagtige 3D-rumkatalog, der nogensinde er skabt.

Til deres formål undersøgte El-Badry og hans kolleger alle 168.065 stjerner i Gaia Data Release 3 (GDR3), der så ud til at have to-kropsbaner. Deres analyse fandt en særlig lovende kandidat, en G-type (gul stjerne) betegnet Gaia DR3 4373465352415301632 - til deres formål betegnede holdet den Gaia BH1. Baseret på dens observerede orbitale løsning bestemte El-Badry og hans kolleger, at denne stjerne skal have en sort huls binær følgesvend. Sagde El-Badry:

"Gaia-dataene begrænser, hvordan stjernen bevæger sig på himlen og sporer en ellipse, mens den kredser om det sorte hul. Størrelsen af ​​banen og dens periode giver os en begrænsning på massen af ​​dens usete ledsager - omkring 10 solmasser. I For at bekræfte, at Gaia-løsningen er korrekt og udelukke ikke-sorte hul-alternativer, observerede vi stjernen spektroskopisk med flere andre teleskoper. Dette strammede vores begrænsninger på ledsagerens masse og beviste, at det virkelig er 'mørkt'."

For at bekræfte deres observationer analyserede holdet radiale hastighedsmålinger af Gaia BH1 fra flere teleskoper. Dette omfattede W. M. Keck Observatory's High-Resolution Echelle Spectrometer (HIRES), MPG/ESO teleskopets Fiber-Fed Extended Range Optical Spectrograph (FEROS) spektrograf, Very Large Telescopes (VLT) X-Shooter spektrograf, Gemini Multi-Object Spectrographs (GMOS), Magellan Echellette (MagE) spektrografen og Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope (LAMOST).

I lighed med den metode, der blev brugt til at jage exoplaneter (Doppler-spektroskopi), tillod spektrene fra disse instrumenter holdet at observere og måle tyngdekraften, der påvirker dets kredsløb. Disse opfølgende observationer bekræftede Gaia BH1's orbitale løsning, og at en ledsager på omkring ti solmasser kredsede sammen med den. Som El-Badry antydede, kunne disse fund udgøre det første sorte hul i Mælkevejen, der ikke blev observeret på baggrund af dets røntgenstråling eller andre energiske frigivelser:

"Modeller forudsiger, at Mælkevejen indeholder omkring 100 millioner sorte huller. Men vi har kun observeret omkring 20 af dem. Alle de tidligere, vi har observeret, er i 'røntgen-binærer':det sorte hul spiser en ledsagerstjerne , og det skinner klart i røntgenstråler, når det materiales gravitationelle potentielle energi omdannes til lys. Men disse repræsenterer kun toppen af ​​isbjerget:en langt større befolkning kan lure, skjult i mere vidt adskilte binære filer. Opdagelsen af ​​Gaia BH1 skinner tidligt lys over denne befolkning."

Hvis de bekræftes, kan disse fund betyde, at der er en robust population af sovende sorte huller i Mælkevejen. Dette refererer til sorte huller, der ikke er tydelige fra lyse diske, strålingsudbrud eller hyperhastighedsstråler, der udgår fra deres poler (som det ofte er tilfældet med kvasarer). Hvis disse objekter er allestedsnærværende i vores galakse, kan implikationerne for stjernernes og galaktiske udvikling være dybtgående. Det er dog muligt, at dette særlige slumrende sorte hul er en outlier og ikke indikerer en større befolkning.

For at verificere deres resultater ser El-Badry og hans kolleger frem til Gaia Data Release 4 (GDR 4), hvis dato endnu ikke er fastlagt, som vil omfatte alle data indsamlet under den femårige nominelle mission (DDR 4) ). Denne udgivelse vil omfatte de mest opdaterede astrometriske, fotometriske og radiale hastighedskataloger for alle observerede stjerner, binære, galakser og exoplaneter. Den femte og sidste udgivelse (DDR 5) vil indeholde data fra den nominelle og forlængede mission (hele ti år).

"Baseret på BH-ledsager-forekomstfrekvensen antydet af Gaia BH1, estimerede vi, at den næste Gaia-dataudgivelse vil muliggøre opdagelsen af ​​snesevis af lignende systemer," sagde El-Badry. "Med kun ét objekt er det svært at vide præcis, hvad det indebærer om befolkningen (det kunne bare være et mærkeligt, et lykketræf). Vi er begejstrede for de befolkningsdemografiske undersøgelser, vi vil være i stand til at lave med større stikprøver." + Udforsk yderligere

'Sort huls politi' opdager et sovende sort hul uden for Mælkevejen