Astronomowie mogli odkryć „ciemny” upał

Jeśli śmierć dużych gwiazd pozostawia czarne dziury, jak sądzą astronomowie, powinny być ich setki milionów rozsianych po całej Drodze Mlecznej. Problem polega na tym, że izolowane czarne dziury nie są widoczne.

Teraz, zespół kierowany przez University of California w Berkeley, astronomowie po raz pierwszy odkryli coś, co może być swobodnie unoszącą się czarną dziurą, obserwując jasność odległej gwiazdy, gdy jej światło jest zniekształcone przez silne pole grawitacyjne obiektu – dlatego – zwana mikrograwitacją.

Zespołem kieruje doktorant Casey Lam i Jessica NiskiProfesor astronomii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley szacuje, że masa niewidzialnego zwartego obiektu wynosi od 1,6 do 4,4 masy Słońca. Ponieważ astronomowie uważają, że pozostałości martwej gwiazdy muszą być cięższe niż 2,2 masy Słońca, aby zapaść się w czarną dziurę, naukowcy z UC Berkeley ostrzegają, że obiekt może być gwiazdą neutronową, a nie czarną dziurą. Gwiazdy neutronowe są również bardzo gęstymi i zwartymi obiektami, ale ich grawitacja jest równoważona wewnętrznym ciśnieniem neutronów, co zapobiega dalszemu zapadaniu się w czarną dziurę.

Niezależnie od tego, czy jest to czarna dziura, czy gwiazda neutronowa, obiekt jest pierwszą ciemną pozostałością gwiezdną – gwiezdnym „duchem” – odkrytą wędrującą przez galaktykę nie związaną z inną gwiazdą.

„To pierwsza pływająca czarna dziura lub gwiazda neutronowa wykryta przez soczewki mikrograwitacyjne” – powiedział Lu. „Dzięki zastosowaniu drobniejszego obiektywu możemy badać i ważyć te odizolowane, skompresowane obiekty. Myślę, że otworzyliśmy nowe okno na te ciemne obiekty, których nie można zobaczyć w żaden inny sposób”.

Ustalenie, ile z tych zwartych obiektów zamieszkują Drogę Mleczną, pomoże astronomom zrozumieć ewolucję gwiazd – w szczególności sposób ich śmierci – oraz ewolucję naszej galaktyki, prawdopodobnie ujawniając, czy którakolwiek z niewidocznych czarnych dziur jest pierwotnymi czarnymi dziurami, co uważa Niektórzy kosmolodzy uważają, że podczas Wielkiego Wybuchu wyprodukowano duże ilości.

Analiza Lam, Lu i ich międzynarodowego zespołu została przyjęta do publikacji w Astrofizyczne listy dziennika. Analiza obejmuje cztery inne zdarzenia związane z mikrosoczewkowaniem, co do których zespół stwierdził, że nie zostały spowodowane przez czarną dziurę, chociaż dwa są prawdopodobnie spowodowane przez białego karła lub gwiazdę neutronową. Zespół doszedł również do wniosku, że prawdopodobna liczba czarnych dziur w galaktyce wynosi 200 milionów – mniej więcej tak, jak oczekiwała większość teoretyków.

Te same dane, różne wnioski

Warto zauważyć, że konkurencyjny zespół z Space Telescope Science Institute (STScI) w Baltimore przeanalizował to samo zdarzenie mikrosoczewkowania i stwierdził, że masa zwartego obiektu jest bliższa 7,1 mas Słońca i niekwestionowanej czarnej dziury. Artykuł opisujący analizę prowadzoną przez zespół STScI kierowany przez Kailash Sahuzostał przyjęty do publikacji w Czasopismo Astrofizyczne.

Oba zespoły wykorzystały te same dane: pomiary fotometryczne jasności odległej gwiazdy, gdy jej światło było zniekształcone lub „odbite” przez silnie skompresowany obiekt, oraz pomiary astronomiczne zmieniającej się pozycji odległej gwiazdy na niebie w wyniku grawitacji. zniekształcenia spowodowane przez obiekt obiektywu. Dane optyczne pochodziły z dwóch przeglądów mikrosoczewkowych: Optical Gravitational Lens Experiment (OGLE), który wykorzystuje 1,3-metrowy teleskop w Chile, obsługiwanego przez Uniwersytet Warszawski, oraz obserwacji Microlens in Astrophysics (MOA), która jest zamontowana na 1,8-metrowym teleskopie -metrowy teleskop w Nowej Zelandii obsługiwany przez Uniwersytet Warszawski Osaka University. Dane astronomiczne pochodzą z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a NASA. STScI zarządza programem naukowym teleskopu i prowadzi jego działalność naukową.

Ponieważ oba precyzyjne obiektywy rekonesansowe uchwyciły ten sam obiekt, ma on dwie nazwy: MOA-2011-BLG-191 i OGLE-2011-BLG-0462, w skrócie OB110462.

Podczas gdy przeglądy takie jak ten odkrywają około 2000 jasnych gwiazd poprzez mikrosoczewkowanie każdego roku w Drodze Mlecznej, to właśnie dodanie danych astronomicznych pozwoliło dwóm zespołom określić masę i odległość zwartego obiektu od Ziemi. Zespół kierowany przez Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley oszacował, że znajduje się ona w odległości od 2280 do 6260 lat świetlnych (700-1920 parseków), w kierunku centrum Drogi Mlecznej i w pobliżu dużego wybrzuszenia otaczającego centralną supermasywną czerń galaktyki. otwór.

Gromada STScI została oszacowana na około 5153 lata świetlne (1580 parseków) od nas.

szukam igły w stogu siana

Lou i Lam po raz pierwszy zainteresowali się ciałem w 2020 roku, po tym jak zespół STScI początkowo stwierdził, że: Pięć zdarzeń mikrosoczewkowania Te obserwowane przez Hubble’a – z których wszystkie trwały ponad 100 dni, a zatem mogą być czarnymi dziurami – prawdopodobnie w ogóle nie są spowodowane przez zwarte obiekty.

Lu, która od 2008 roku szuka swobodnie pływających czarnych dziur, uważa, że ​​dane pomogą jej lepiej oszacować ich liczebność w galaktyce, która została z grubsza oszacowana na 10 do 1 miliarda. Jak dotąd czarne dziury wielkości gwiazd znajdowano jedynie jako część układów podwójnych gwiazd. Czarne dziury są widoczne w układach podwójnych albo w promieniach rentgenowskich, które powstają, gdy materia z gwiazdy spada na czarną dziurę, albo w nowoczesnych detektorach fal grawitacyjnych, które są wrażliwe na łączenie się dwóch lub więcej czarnych dziur. Ale te wydarzenia są rzadkie.

„Casey i ja obserwowaliśmy dane i naprawdę się zainteresowaliśmy. Powiedzieliśmy: „Wow, nie ma czarnych dziur” – powiedział Lu. To niesamowite, „chociaż powinno tam być”. „I tak zaczęliśmy patrzeć na dane. Gdyby naprawdę nie było czarnych dziur w danych, nie pasowałoby to do naszego modelu, ile czarnych dziur powinno znajdować się w Drodze Mlecznej. Coś musiało się zmienić w zrozumieniu czarne dziury – albo ich liczba, prędkość, albo masa”.

Kiedy Lahm analizował fotometrię i astrometrię pięciominutowych zdarzeń soczewki, zdziwiłem się, że jeden, OB110462, miał cechy kompaktowego korpusu: korpus soczewki wydawał się ciemny, a zatem nie był gwiazdą; jasność gwiazd utrzymywała się przez długi czas, prawie 300 dni; Zniekształcenie pozycji gwiazdy tła było również długoterminowe.

Lamm powiedział, że główną wskazówką była długość obiektywu. W 2020 roku pokazało, że najlepszym sposobem poszukiwania mikrosoczewek czarnych dziur jest poszukiwanie bardzo długich zdarzeń. Powiedziała, że ​​tylko 1% zdarzeń w soczewkach minutowych, które można wykryć, prawdopodobnie pochodzi z czarnych dziur, więc patrzenie na wszystkie zdarzenia przypominałoby szukanie igły w stogu siana. Jednak według Lamma około 40% przypadków mikrosoczewkowania trwających dłużej niż 120 dni jest prawdopodobnie czarnymi dziurami.

„Jak długo trwa jasne zdarzenie jest wskazówką, jak masywne soczewki pierwszego planu zakrzywiają światło gwiazdy tła” – powiedział Lamm. „Dłuższe zdarzenia są najprawdopodobniej spowodowane czarnymi dziurami. Nie jest to gwarancją, ponieważ czas trwania jasnego pierścienia zależy nie tylko od masy soczewki pierwszego planu, ale także od tego, jak szybko soczewka pierwszego planu i gwiazda tła poruszają się względem Jednak dzięki pomiarom pozornej lokalizacji gwiazdy tła możemy potwierdzić, czy soczewka na pierwszym planie jest naprawdę czarną dziurą.”

Według Lu, efekt grawitacyjny OB110462 na światło gwiazdy tła był zaskakująco długi. Gwiazda zajęła około roku, aby zapalić się do szczytu w 2011 roku, a następnie około roku, aby wrócić do normy.

Więcej danych pozwoli odróżnić czarną dziurę od gwiazdy neutronowej

Aby potwierdzić, że OB110462 powstał w wyniku niezwykle zwartego obiektu, Low i Lam zażądali od Hubble’a większej ilości danych astronomicznych, z których część dotarła w październiku ubiegłego roku. Te nowe dane pokazały, że zmianę pozycji gwiazdy spowodowaną polem grawitacyjnym soczewki wciąż można zaobserwować 10 lat po zdarzeniu. Kolejne obserwacje mikrosoczewkowania przez Hubble’a są wstępnie zaplanowane na jesień 2022 roku.

Analiza nowych danych potwierdziła, że ​​OB110462 jest najprawdopodobniej czarną dziurą lub gwiazdą neutronową.

Low i Lam podejrzewają, że różne wnioski obu zespołów wynikają z faktu, że dane astronomiczne i fotometryczne dają różne miary względnych ruchów obiektów na dziobie i rufie. Analiza astrologiczna również różni się między tymi dwoma zespołami. Zespół UC Berkeley argumentuje, że nie jest jeszcze możliwe rozróżnienie, czy obiekt jest czarną dziurą, czy gwiazdą neutronową, ale mają nadzieję rozwiązać tę rozbieżność dzięki większej liczbie danych z Hubble’a i ulepszonej analizie w przyszłości.

„O ile definitywnie powiedzielibyśmy, że jest to czarna dziura, powinniśmy podać wszystkie dopuszczalne rozwiązania” – powiedział Lu. „Dotyczy to zarówno czarnych dziur o mniejszej masie, a być może nawet gwiazdy neutronowej”.

„Jeśli nie możesz uwierzyć w krzywą światła, jasność, oznacza to coś ważnego. Jeśli nie możesz uwierzyć w sytuację w funkcji czasu, to mówi ci coś ważnego” – powiedział Lamm. „Więc, jeśli jeden z nich jest błędny, musimy zrozumieć dlaczego. Lub inna możliwość jest taka, że ​​to, co mierzymy w dwóch zestawach danych, jest poprawne, ale nasz model jest nieprawidłowy. Dane fotometryczne i astrometryczne pochodzą z tego samego procesu fizycznego, co oznacza, że ​​jasność i pozycja muszą być spójne. Ze sobą. Więc czegoś tam brakuje.

Obie grupy oszacowały również prędkość ultracienkiego korpusu soczewki. Zespół Lu/Lam znalazł stosunkowo umiarkowaną prędkość, mniej niż 30 kilometrów na sekundę. Zespół STScI znalazł niezwykle wysoką prędkość 45 km/s, którą zinterpretowali jako wynik dodatkowego kopnięcia, które tak zwana czarna dziura otrzymała od wygenerowanej przez nią supernowej.

Low interpretuje oszacowanie niskiej prędkości przez jej zespół jako możliwe wsparcie dla nowej teorii, że czarne dziury nie są wynikiem supernowych – dominującego dzisiaj założenia – ale zamiast tego pochodzą z nieudanych supernowych, które nie wywołują jasnego rozbryzgu we wszechświecie ani nie dają w rezultacie czarna dziura kopnięcie.

Prace Lu i Lama są wspierane przez Narodową Fundację Nauki (1909641) oraz Narodową Agencję Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NNG16PJ26C, NASA FINNESS 80NSSC21K2043).