Astronomowie odkryli najbliższą czarną dziurę na Ziemi – na kosmicznym podwórku

Północny Teleskop Gemini na Hawajach ujawnia pierwszą uśpioną gromadę gwiazd[{” attribute=””>black hole in our cosmic backyard.

Using the International Gemini Observatory, astronomers have discovered the closest-known black hole to Earth. This is the first unambiguous detection of a dormant stellar-mass black hole in the Milky Way. Located a mere 1600 light-years away, its close proximity to Earth offers an intriguing target of study to advance our understanding of the evolution of binary systems.

Black holes are the most extreme objects in the Universe. It is believed that supermassive versions of these unimaginably dense objects reside at the centers of all large galaxies. Stellar-mass black holes — which weigh approximately five to 100 times the mass of the Sun — are much more common. In fact, there are an estimated 100 million stellar-mass black holes in the Milky Way alone. However, only a handful have been confirmed to date, and nearly all of these are ‘active’. This means that they shine brightly in X-rays as they consume material from a nearby stellar companion, unlike dormant black holes which do not.

Astronomers have now discovered the closest black hole to Earth, which the researchers have dubbed Gaia BH1. To find it, they used the Gemini North telescope in Hawai‘i, one of the twin telescopes of the International Gemini Observatory, operated by NSF’s NOIRLab.

Gaia BH1 is a dormant black hole that is about 10 times more massive than the Sun and is located about 1600 light-years away in the constellation Ophiuchus. This means it is three times closer to Earth than the previous record holder, an X-ray binary in the constellation of Monoceros. The new discovery was made possible by making exquisite observations of the motion of the black hole’s companion, a Sun-like star that orbits the black hole at about the same distance as the Earth orbits the Sun.

Ta animacja pokazuje gwiazdę podobną do Słońca krążącą wokół Gai BH1, najbliższej Ziemi czarnej dziury, znajdującej się około 1600 lat świetlnych od nas. Obserwacje Gemini North, jednego z bliźniaczych teleskopów Gemini International Observatory, obsługiwanego przez NOIRLab NSF, miały kluczowe znaczenie dla ograniczenia ruchu orbitalnego, a tym samym mas dwóch komponentów w układzie podwójnym, umożliwiając zespołowi zidentyfikowanie centralnego obiektu jako czarna dziura około 10 razy większa od masy naszego Słońca. Źródło: T. Müller (MPIA), PanSTARRS DR1 (KC Chambers et al. 2016), ESA/Gaia/DPAC

„Weź Układ Słoneczny, umieść czarną dziurę tam, gdzie jest Słońce, a Słońce tam, gdzie jest Ziemia, a otrzymasz ten układ” – wyjaśnia Karim El-Badri, astrofizyk z Astrophysical Center. Harvard, Smithsonian i Max Planck Institute for Astronomy oraz główny autor artykułu opisującego to odkrycie, opublikowanego 2 listopada w Comiesięczne zawiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.

Chociaż dokonano wielu rzekomych odkryć takich systemów, prawie wszystkie te odkrycia zostały następnie obalone. To pierwsze jednoznaczne odkrycie gwiazdy podobnej do Słońca na szerokiej orbicie wokół czarnej dziury o masie gwiazdowej w naszej galaktyce”.

Chociaż po Drodze Mlecznej przemierzają miliony czarnych dziur o masach gwiazdowych, bardzo niewiele z nich odkryto poprzez ich aktywne interakcje z towarzyszącą im gwiazdą. Gdy materia z pobliskiej gwiazdy obraca się w kierunku czarnej dziury, staje się niezwykle gorąca i generuje silne promieniowanie rentgenowskie oraz dżety materii. Jeśli czarna dziura nie odżywia się aktywnie (tj. śpi), po prostu łączy się z otoczeniem.

„Przez ostatnie cztery lata szukałem uśpionych czarnych dziur, korzystając z szerokiej gamy zestawów danych i metod” – powiedział Al-Badri. „Moje poprzednie próby – jak również inne – dały początek szeregowi układów podwójnych podszywających się pod czarne dziury, ale po raz pierwszy badania przyniosły owoce”.

Zespół pierwotnie zidentyfikował system jako potencjalnie hostujący czarną dziurę, analizując dane z: Europejska Agencja Kosmiczna Statek kosmiczny Gaia. Gaia uchwyciła drobne nieprawidłowości w ruchu gwiazdy spowodowane grawitacją masywnego, niewidzialnego obiektu. Aby bardziej szczegółowo zbadać układ, Al-Badri i jego zespół zwrócili się do instrumentu Gemini Multi-Object Spectrograph w Gemini North, który mierzył prędkość gwiazdy towarzyszącej podczas jej orbitowania wokół czarnej dziury i zapewniał dokładny pomiar okresu jej orbity. . Dalsze obserwacje Gemini miały kluczowe znaczenie dla ograniczenia ruchu orbitalnego, a tym samym mas dwóch komponentów w układzie podwójnym, umożliwiając zespołowi zidentyfikowanie centralnego obiektu jako czarnej dziury około 10 mas Słońca.

Al-Badri wyjaśnił, że „nasze obserwacje obserwacji Gemini potwierdziły ponad wszelką wątpliwość, że podwójny zawiera zwykłą gwiazdę i co najmniej jedną uśpioną czarną dziurę”. „Nie byliśmy w stanie znaleźć wiarygodnego scenariusza astrofizycznego, który mógłby wyjaśnić obserwowaną orbitę układu, który nie zawiera przynajmniej jednej czarnej dziury”.

Zespół polegał nie tylko na imponujących możliwościach monitorowania Gemini North, ale także na zdolności Gemini do dostarczania danych w napiętym terminie, ponieważ zespół miał tylko krótki czas na poczynienie dalszych obserwacji.

„Kiedy mieliśmy pierwsze oznaki, że system zawiera czarną dziurę, mieliśmy tylko tydzień, zanim oba obiekty znalazły się w ich najbliższej separacji orbitalnej. Pomiary w tym momencie są niezbędne do dokładnego oszacowania masy w układzie podwójnym „, Al – powiedział Badri. „Zdolność Gemini do przekazywania informacji zwrotnych w krótkim czasie była kluczowa dla sukcesu projektu. Jeśli przegapiliśmy to wąskie okno, musieliśmy poczekać kolejny rok”.

Trudno jest mocno naciskać na aktualne modele ewolucji układów podwójnych, aby wyjaśnić, w jaki sposób powstała osobliwa formacja Gaia BH1. W szczególności gwiazda prekursora, która później przekształciła się w nowo odkrytą czarną dziurę, była co najmniej dwadzieścia razy większa od masy naszego Słońca. Oznacza to, że żyłaby tylko kilka milionów lat. Gdyby obie gwiazdy powstały w tym samym czasie, ta masywna gwiazda szybko przekształciłaby się w nadolbrzym, napełniając i pochłaniając drugą gwiazdę, zanim zdążyła stać się właściwą, spalającą wodór gwiazdą ciągu głównego, taką jak nasze Słońce.

Jak sugerują obserwacje podwójnej czarnej dziury, wcale nie jest jasne, w jaki sposób gwiazda o masie Słońca może przetrwać ten pierścień i skończyć jako pozornie normalna gwiazda. Wszystkie modele teoretyczne, które pozwalają na przetrwanie, przewidują, że gwiazda o masie Słońca powinna znaleźć się na ciaśniejszej orbicie, niż jest to faktycznie obserwowane.

Może to wskazywać na istotne luki w naszym zrozumieniu tego, w jaki sposób czarne dziury powstają i ewoluują w układach podwójnych, a także sugerować istnienie jeszcze niezbadanej grupy uśpionych czarnych dziur w układach podwójnych.

„Co ciekawe, tego systemu nie da się łatwo zaadaptować za pomocą standardowych binarnych modeli ewolucji” – podsumował Al-Badri. „To rodzi wiele pytań o to, jak uformował się ten układ podwójny, a także ile jest tam czających się czarnych dziur”.

„Jako część sieci kosmicznych i naziemnych obserwatoriów Gemini North nie tylko dostarczyła mocnych dowodów na istnienie najbliższej do tej pory czarnej dziury, ale także dostarczyła pierwszy oryginalny system czarnych dziur, ułożony w zwykły gorący gaz oddziałujący z czarną dziurą. otwór” – powiedział Martin Steele, oficjalny przedstawiciel Programu Gemini dla Fundacji NSF. „Chociaż to potencjalnie zapowiada przyszłe odkrycia spodziewanej gromady uśpionych czarnych dziur w naszej galaktyce, obserwacje pozostawiają również tajemnicę do rozwiązania – pomimo wspólnej historii z obcym sąsiadem, dlaczego gwiazda towarzysząca w tym układzie podwójnym jest tak normalna?”

Odniesienie: „Gwiazda podobna do Słońca krążąca wokół czarnej dziury” autorstwa Karima Badriego, Hansa Waltera Rexa, Elliota Quaterta, Andrew W. Howarda, Howarda Isaacsona, Jima Fullera, Keitha Hawkinsa, Katelyn Breivik, Kazi WK Wonga, Antonio C. Rodriguez, Charliego Conroy, Glamour Shahav, Tsvi Mazeh, Frédéric Arino, Kevin B. Berdge, Dolev Bachi, Simchon Weigler, Daniel R. Weisz, Rhys Seiberger, Silvia Almada Münter i Jennifer Wuino, 2 listopada 2022 r., Comiesięczne zawiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.
DOI: 10.1093/mnras/stac3140

Notatki Gemini North były prowadzone w ramach programu szacowanego czasu dyrektora (ID programu: GN-2022B-DD-202).

Gemini International Observatory jest obsługiwane przez partnerstwo sześciu krajów, w tym Stanów Zjednoczonych poprzez National Science Foundation, Kanada poprzez National Research Council of Canada, Chile poprzez Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo, Brazylia poprzez Ministerstwo Nauki i Technologii. e Inovações, Argentyna za pośrednictwem Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación oraz Korea za pośrednictwem Koreańskiego Instytutu Astronomii i Nauk Kosmicznych. Ci uczestnicy oraz Uniwersytet Hawajski, który ma regularny dostęp do Gemini, prowadzą „Krajowe Biuro Gemini”, aby wspierać lokalnych użytkowników.