Astronomer har muligvis opdaget et mørkt frit svævende sort hul

Hvis, som astronomer tror, ​​store stjerners død efterlader sorte huller, burde der være hundreder af millioner af dem spredt ud over Mælkevejsgalaksen. Problemet er, at isolerede sorte huller er usynlige.

Nu har et hold ledet af University of California, Berkeley, astronomer for første gang opdaget, hvad der kan være et frit svævende sort hul ved at observere lysningen af ​​en fjernere stjerne, da dens lys blev forvrænget af objektets stærke gravitationsfelt – så -kaldet gravitationel mikrolinsning.

Holdet, ledet af kandidatstuderende Casey Lam og Jessica Lu, en UC Berkeley lektor i astronomi, anslår, at massen af ​​det usynlige kompakte objekt er mellem 1,6 og 4,4 gange solens. Fordi astronomer tror, ​​at resterne af en død stjerne skal være tungere end 2,2 solmasser for at kollapse til et sort hul, advarer UC Berkeley-forskerne om, at objektet kan være en neutronstjerne i stedet for et sort hul. Neutronstjerner er også tætte, meget kompakte objekter, men deres tyngdekraft balanceres af indre neutrontryk, som forhindrer yderligere kollaps til et sort hul.

Uanset om det er et sort hul eller en neutronstjerne, er objektet den første mørke stjernerest – et stjernespøgelse – opdaget vandrer gennem galaksen uparret med en anden stjerne.

"Dette er den første fritsvævende sorte hul eller neutronstjerne, der er opdaget med gravitationel mikrolinsing," sagde Lu. "Med mikrolinsing er vi i stand til at sondere disse ensomme, kompakte genstande og veje dem. Jeg tror, ​​vi har åbnet et nyt vindue til disse mørke genstande, som ikke kan ses på anden måde."

At bestemme, hvor mange af disse kompakte objekter, der befolker Mælkevejsgalaksen, vil hjælpe astronomerne med at forstå udviklingen af ​​stjerner - især hvordan de dør - og af vores galakse, og måske afsløre, om nogen af ​​de usete sorte huller er oprindelige sorte huller, hvilket nogle kosmologer tror blev produceret i store mængder under Big Bang.

Analysen af ​​Lam, Lu og deres internationale team er blevet accepteret til offentliggørelse i The Astrophysical Journal Letters. Analysen inkluderer fire andre mikrolinsehændelser, som holdet konkluderede ikke var forårsaget af et sort hul, selvom to sandsynligvis var forårsaget af en hvid dværg eller en neutronstjerne. Holdet konkluderede også, at den sandsynlige befolkning af sorte huller i galaksen er 200 millioner - omtrent hvad de fleste teoretikere forudsagde.

Samme data, forskellige konklusioner

Navnlig analyserede et konkurrerende hold fra Space Telescope Science Institute (STScI) i Baltimore den samme mikrolinsebegivenhed og hævder, at massen af ​​det kompakte objekt er tættere på 7,1 solmasser og indiskutabelt et sort hul. Et papir, der beskriver analysen af ​​STScI-teamet, ledet af Kailash Sahu, er blevet accepteret til offentliggørelse i The Astrophysical Journal .

Begge hold brugte de samme data:fotometriske målinger af den fjerne stjernes lysere, da dens lys blev forvrænget eller "opnået" af det superkompakte objekt, og astrometriske målinger af forskydningen af ​​den fjerne stjernes placering på himlen som et resultat af gravitationen forvrængning af objektivobjektet. De fotometriske data kom fra to mikrolinseundersøgelser:Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE), som anvender et 1,3 meter teleskop i Chile drevet af Warszawa Universitet, og Microlensing Observations in Astrophysics (MOA) eksperimentet, som er monteret på et 1,8-meter teleskop. meter teleskop i New Zealand drevet af Osaka University. De astrometriske data kom fra NASAs Hubble-rumteleskop. STScI administrerer det videnskabelige program for teleskopet og udfører dets videnskabelige operationer.

Fordi begge mikrolinseundersøgelser fangede det samme objekt, har det to navne:MOA-2011-BLG-191 og OGLE-2011-BLG-0462 eller OB110462, for kort.

Mens undersøgelser som disse opdager omkring 2.000 stjerner, der lysnes op af mikrolinsing hvert år i Mælkevejsgalaksen, er tilføjelsen af ​​astrometriske data det, der gjorde det muligt for de to hold at bestemme massen af ​​det kompakte objekt og dets afstand fra Jorden. Det UC Berkeley-ledede hold vurderede, at det ligger mellem 2.280 og 6.260 lysår (700-1920 parsecs) væk, i retning af centrum af Mælkevejsgalaksen og nær den store bule, der omgiver galaksens centrale massive sorte hul.

STScI-gruppen vurderede, at den ligger omkring 5.153 lysår (1.580 parsecs) væk.

Leder efter en nål i en høstak

Lu og Lam blev først interesseret i objektet i 2020, efter at STScI-holdet foreløbigt konkluderede, at fem mikrolinsehændelser observeret af Hubble - som alle varede i mere end 100 dage og dermed kunne have været sorte huller - muligvis ikke var forårsaget af kompakte objekter trods alt.

Lu, som har ledt efter fritsvævende sorte huller siden 2008, troede, at dataene ville hjælpe hende med bedre at vurdere deres overflod i galaksen, som groft er blevet anslået til mellem 10 millioner og 1 mia. Hidtil er sorte huller på størrelse med stjerne kun blevet fundet som en del af binære stjernesystemer. Sorte huller i binære dele ses enten i røntgenstråler, produceret når materiale fra stjernen falder ned på det sorte hul, eller af nyere gravitationsbølgedetektorer, som er følsomme over for sammensmeltninger af to eller flere sorte huller. Men disse begivenheder er sjældne.

"Casey og jeg så dataene, og vi blev virkelig interesserede. Vi sagde:'Wow, ingen sorte huller. Det er fantastisk', selvom der burde have været det," sagde Lu. "Og så begyndte vi at se på dataene. Hvis der virkelig ikke var sorte huller i dataene, så ville dette ikke matche vores model for, hvor mange sorte huller der skulle være i Mælkevejen. Noget ville skulle ændre sig i vores forståelse af sorte huller – enten deres antal eller hvor hurtigt de bevæger sig eller deres masser."

Da Lam analyserede fotometrien og astrometrien for de fem mikrolinsebegivenheder, blev hun overrasket over, at den ene, OB110462, havde karakteristika af et kompakt objekt:Linseobjektet virkede mørkt, og dermed ikke en stjerne; stjerneoplysningen varede i lang tid, næsten 300 dage; og forvrængningen af ​​baggrundsstjernens position var også langvarig.

Længden af ​​linsebegivenheden var det vigtigste tip, sagde Lam. I 2020 viste hun, at den bedste måde at søge efter sorte huls mikrolinser på var at lede efter meget lange begivenheder. Kun 1 % af de påviselige mikrolinsehændelser er sandsynligvis fra sorte huller, sagde hun, så at se på alle hændelser ville være som at søge efter en nål i en høstak. Men, beregnede Lam, er omkring 40 % af mikrolinsehændelser, der varer mere end 120 dage, sandsynligvis sorte huller.

"Hvor længe den lysende begivenhed varer, er en antydning af, hvor massiv forgrundslinsen, der bøjer lyset fra baggrundsstjernen, er," sagde Lam. "Lange hændelser er mere sandsynlige på grund af sorte huller. Det er dog ikke en garanti, fordi varigheden af ​​lysere episoden ikke kun afhænger af, hvor massiv forgrundslinsen er, men også af, hvor hurtigt forgrundslinsen og baggrundsstjernen bevæger sig relativt Men ved også at få målinger af baggrundsstjernens tilsyneladende position kan vi bekræfte, om forgrundslinsen virkelig er et sort hul."

Ifølge Lu var gravitationspåvirkningen af ​​OB110462 på baggrundsstjernens lys forbløffende lang. Det tog omkring et år for stjernen at lysne til sit højdepunkt i 2011, derefter omkring et år at dæmpe tilbage til det normale.

Flere data vil skelne sort hul fra neutronstjerne

For at bekræfte, at OB110462 var forårsaget af et superkompakt objekt, bad Lu og Lam om flere astrometriske data fra Hubble, hvoraf nogle ankom i oktober sidste år. Disse nye data viste, at ændringen i stjernens position som følge af linsens gravitationsfelt stadig kan observeres 10 år efter hændelsen. Yderligere Hubble-observationer af mikrolinsen er foreløbigt planlagt til efteråret 2022.

Analyse af de nye data bekræftede, at OB110462 sandsynligvis var et sort hul eller neutronstjerne.

Lu og Lam har mistanke om, at de to holds forskellige konklusioner skyldes, at de astrometriske og fotometriske data giver forskellige mål for de relative bevægelser af forgrunds- og baggrundsobjekter. Den astrometriske analyse adskiller sig også mellem de to hold. Det UC Berkeley-ledede hold hævder, at det endnu ikke er muligt at skelne mellem, om objektet er et sort hul eller en neutronstjerne, men de håber at løse uoverensstemmelsen med flere Hubble-data og forbedret analyse i fremtiden.

"Så meget som vi gerne vil sige, at det definitivt er et sort hul, må vi rapportere alle tilladte løsninger. Dette inkluderer både sorte huller med lavere masse og muligvis endda en neutronstjerne," sagde Lu.

"Hvis du ikke kan tro lyskurven, lysstyrken, så siger det noget vigtigt. Hvis du ikke tror på positionen kontra tid, fortæller det dig noget vigtigt," sagde Lam. "Så hvis en af ​​dem er forkert, er vi nødt til at forstå hvorfor. Eller den anden mulighed er, at det, vi måler i begge datasæt, er korrekt, men vores model er forkert. Fotometri- og astrometridataene stammer fra den samme fysiske proces, hvilket betyder, at lysstyrken og positionen skal være i overensstemmelse med hinanden. Så der mangler noget der."

Begge hold estimerede også hastigheden af ​​det superkompakte objektivobjekt. Lu/Lam-holdet fandt en forholdsvis rolig hastighed, mindre end 30 kilometer i sekundet. STScI-holdet fandt en usædvanlig stor hastighed, 45 km/s, som det tolkede som resultatet af et ekstra spark, som det påståede sorte hul fik fra supernovaen, der genererede det.

Lu fortolker sit holds lavhastighedsestimat som potentielt at understøtte en ny teori om, at sorte huller ikke er resultatet af supernovaer – den herskende antagelse i dag – men i stedet kommer fra mislykkede supernovaer, der ikke laver et klart sprøjt i universet eller giver den resulterende sorte slå et spark. + Udforsk yderligere

Det første fritsvævende sorte hul nogensinde fundet, der strejfer gennem det interstellare rum