Astronomen hebben mogelijk een ‘donkere’ hitte ontdekt

Als de dood van grote sterren zwarte gaten achterlaat, zoals astronomen denken, zouden er honderden miljoenen van over de hele Melkweg verspreid moeten zijn. Het probleem is dat geïsoleerde zwarte gaten niet zichtbaar zijn.

Nu hebben astronomen onder leiding van de University of California, Berkeley, voor het eerst ontdekt wat een vrij zwevend zwart gat zou kunnen zijn door de helderheid van een verre ster te observeren terwijl het licht wordt vervormd door het sterke zwaartekrachtveld van een object – daarom – microzwaartekracht genoemd.

Het team wordt geleid door afgestudeerde student Casey Lam en Jessica LowEen universitair hoofddocent astronomie aan de University of California, Berkeley, schat dat de massa van het onzichtbare compacte object tussen 1,6 en 4,4 keer de massa van de zon is. Omdat astronomen geloven dat de overblijfselen van een dode ster zwaarder moeten zijn dan 2,2 zonsmassa’s om in een zwart gat in te storten, waarschuwen onderzoekers van UC Berkeley dat het object een neutronenster zou kunnen zijn in plaats van een zwart gat. Neutronensterren zijn ook zeer dichte en compacte objecten, maar hun zwaartekracht wordt gecompenseerd door interne neutronendruk, die verdere instorting in een zwart gat voorkomt.

Of het nu een zwart gat of een neutronenster is, het object is het eerste donkere stellaire overblijfsel – een stellaire “spook” – ontdekt dat door de melkweg dwaalt zonder geassocieerd te zijn met een andere ster.

“Dit is het eerste drijvende zwarte gat of neutronenster dat is gedetecteerd door microzwaartekrachtlenzen”, zei Lu. “Door de fijnere lens te gebruiken, kunnen we deze geïsoleerde, gecomprimeerde objecten onderzoeken en wegen. Ik denk dat we een nieuw venster hebben geopend op deze donkere objecten, die op geen enkele andere manier te zien zijn.”

Door te bepalen hoeveel van deze compacte objecten de Melkweg bewonen, kunnen astronomen de evolutie van sterren begrijpen – in het bijzonder hoe ze sterven – en de evolutie van onze melkweg, mogelijk onthullend of een van de onzichtbare zwarte gaten oerzwarte gaten zijn, wat hij overweegt Sommige kosmologen geloven dat er tijdens de oerknal grote hoeveelheden zijn geproduceerd.

De analyse van Lam, Lu en hun internationale team is geaccepteerd voor publicatie in Astrofysische journaalbrieven. De analyse omvat vier andere microlens-gebeurtenissen waarvan het team concludeerde dat ze niet werden veroorzaakt door een zwart gat, hoewel twee waarschijnlijk worden veroorzaakt door een witte dwerg of een neutronenster. Het team concludeerde ook dat het waarschijnlijke aantal zwarte gaten in de melkweg 200 miljoen is – ongeveer wat de meeste theoretici hadden verwacht.

Zelfde gegevens, andere conclusies

Met name een concurrerend team van het Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore analyseerde dezelfde microlensing-gebeurtenis en beweerde dat de massa van het compacte object dichter bij 7,1 zonsmassa’s en een onbetwist zwart gat ligt. Paper met een beschrijving van de analyse door het STScI-team onder leiding van Kailash Sahuis geaccepteerd voor publicatie in Astrofysisch tijdschrift.

Beide teams gebruikten dezelfde gegevens: fotometrische metingen van de helderheid van een verre ster terwijl het licht werd vervormd of “gereflecteerd” door het sterk gecomprimeerde object, en astronomische metingen van de veranderende positie van de verre ster aan de hemel als gevolg van de zwaartekracht. vervorming door het lensobject. De optische gegevens zijn afkomstig van twee microlens-onderzoeken: het Optical Gravitational Lens Experiment (OGLE), dat gebruik maakt van een 1,3-meter telescoop in Chili die wordt beheerd door de Universiteit van Warschau, en de Microlens-waarnemingen in Astrophysics (MOA), die is gemonteerd op een 1,8 meter lange telescoop. -metertelescoop in Nieuw-Zeeland, geëxploiteerd door de Universiteit van Warschau, Osaka University. Astronomische gegevens kwamen van NASA’s Hubble Space Telescope. STScI beheert het wetenschappelijke programma van de telescoop en voert de wetenschappelijke activiteiten uit.

Omdat beide precisielensverkenningen hetzelfde object hebben vastgelegd, heeft het twee namen: MOA-2011-BLG-191 en OGLE-2011-BLG-0462 of kortweg OB110462.

Terwijl onderzoeken zoals deze elk jaar ongeveer 2.000 heldere sterren ontdekken door microlensing in de Melkweg, was het de toevoeging van astronomische gegevens die de twee teams in staat stelden de massa van het compacte object en de afstand tot de aarde te bepalen. Het team onder leiding van de University of California, Berkeley, schatte dat het zich tussen 2.280 en 6260 lichtjaar (700-1920 parsecs) bevindt, in de richting van het centrum van de Melkweg en in de buurt van de grote uitstulping die het centrale superzware zwarte sterrenstelsel omringt gat.

De STScI-cluster is naar schatting ongeveer 5.153 lichtjaar (1580 parsec) verwijderd.

Ik zoek een speld in een hooiberg

Lou en Lam raakten voor het eerst geïnteresseerd in het lichaam in 2020 nadat het STScI-team aanvankelijk had geconcludeerd dat Vijf microlensing-evenementen De waarnemingen door Hubble – die allemaal meer dan 100 dagen hebben geduurd en daarom zwarte gaten kunnen zijn – worden waarschijnlijk helemaal niet veroorzaakt door compacte objecten.

Lu, die sinds 2008 op zoek is naar vrij bewegende zwarte gaten, dacht dat de gegevens haar zouden helpen hun overvloed in de melkweg, die ruwweg werd geschat op tussen de 10 miljoen en 1 miljard, beter in te schatten. Tot nu toe zijn zwarte gaten ter grootte van sterren alleen gevonden als onderdeel van dubbelstersystemen. Zwarte gaten worden in dubbelsterren gezien, hetzij in röntgenstralen, die worden geproduceerd wanneer materiaal van een ster op een zwart gat valt, of door moderne zwaartekrachtgolfdetectoren, die gevoelig zijn voor de samensmelting van twee of meer zwarte gaten. Maar deze gebeurtenissen zijn zeldzaam.

“Casey en ik keken naar de gegevens en raakten echt geïnteresseerd. We zeiden: ‘Wauw, er zijn geen zwarte gaten’,” zei Lu. Dat is verbazingwekkend, “ook al had het er moeten zijn.” “En dus begonnen we naar de gegevens te kijken. Als er echt geen zwarte gaten in de gegevens zouden zitten, zou dit niet overeenkomen met ons model van hoeveel zwarte gaten er in de Melkweg zouden moeten zijn. Er moest iets veranderen in het begrip van zwarte gaten – hetzij hun aantal, snelheid of massa.”

Toen Lahm de fotometrische en astrometrie van de vijf minuten durende lensgebeurtenissen analyseerde, was ik verrast dat een, OB110462, de kenmerken had van een compacte body: de lensbody leek donker en daarom geen ster; stellaire helderheid duurde een lange tijd, bijna 300 dagen; De vervorming van de positie van de achtergrondster was ook van lange duur.

Lamm zei dat de lengte van de lensgebeurtenis de belangrijkste tip was. In 2020 toonde het aan dat de beste manier om naar microlenzen voor zwarte gaten te zoeken, is te zoeken naar zeer lange gebeurtenissen. Slechts 1% van de minieme lensgebeurtenissen die kunnen worden gedetecteerd, zijn waarschijnlijk afkomstig van zwarte gaten, zei ze, dus het kijken naar alle gebeurtenissen zou zijn als zoeken naar een speld in een hooiberg. Maar volgens Lamm zijn ongeveer 40% van de microlensing-gebeurtenissen die langer dan 120 dagen duren waarschijnlijk zwarte gaten.

“Hoe lang de heldere gebeurtenis duurt, is een aanwijzing voor hoe zwaar de lens op de voorgrond het licht van de achtergrondster afbuigt,” zei Lamm. “Langere gebeurtenissen zijn hoogstwaarschijnlijk te wijten aan zwarte gaten. Dit is geen garantie, omdat de duur van de heldere ring niet alleen afhangt van hoe zwaar de voorgrondlens is, maar ook van hoe snel de voorgrondlens en de achtergrondster bewegen ten opzichte van Maar door ook metingen te doen voor de schijnbare positie van de achtergrondster, kunnen we bevestigen of de voorgrondlens echt een zwart gat is.”

Volgens Lu was het zwaartekrachtseffect van OB110462 op het licht van de achtergrondster verrassend lang. Het duurde ongeveer een jaar voordat de ster oplicht tot zijn hoogtepunt in 2011, en daarna ongeveer een jaar om weer normaal te worden.

Meer gegevens zullen een zwart gat van een neutronenster onderscheiden

Om te bevestigen dat OB110462 het resultaat was van een extreem compact object, vroegen Low en Lam om meer astronomische gegevens van Hubble, waarvan sommige afgelopen oktober arriveerden. Deze nieuwe gegevens toonden aan dat de verandering in de positie van de ster als gevolg van het zwaartekrachtveld van de lens 10 jaar na de gebeurtenis nog steeds kon worden waargenomen. Meer Hubble-waarnemingen van microlensing zijn voorlopig gepland voor de herfst van 2022.

Analyse van de nieuwe gegevens bevestigde dat OB110462 hoogstwaarschijnlijk een zwart gat of een neutronenster was.

Low en Lam vermoeden dat de verschillende conclusies van de twee teams te wijten zijn aan het feit dat de astronomische en fotometrische gegevens verschillende metingen geven van de relatieve bewegingen van de voor- en achterobjecten. Astrologische analyse verschilt ook tussen de twee teams. Het UC Berkeley-team stelt dat het nog niet mogelijk is om te onderscheiden of het object een zwart gat of een neutronenster is, maar ze hopen de discrepantie in de toekomst op te lossen met meer Hubble-gegevens en verbeterde analyse.

“Hoezeer we ook definitief zouden zeggen dat het een zwart gat is, we moeten alle toegestane oplossingen rapporteren”, zei Lu. “Dit omvat zowel zwarte gaten met een lagere massa als misschien zelfs een neutronenster.”

“Als je de kromming van het licht, de helderheid, niet kunt geloven, betekent dat iets belangrijks. Als je de situatie versus de tijd niet kunt geloven, zegt dat iets belangrijks,” zei Lamm. “Dus, als een van hen fout is, moeten we begrijpen waarom. Of een andere mogelijkheid is dat wat we meten in de twee datasets correct is, maar ons model is onjuist. De fotometrische en astrometrische gegevens zijn afkomstig van hetzelfde fysieke proces, wat betekent dat helderheid en positie consistent moeten zijn. Met elkaar. Dus daar ontbreekt iets. “

Beide groepen schatten ook de snelheid van het ultrafijne lenslichaam. Het Lu/Lam-team vond een relatief matige snelheid, minder dan 30 kilometer per seconde. Het STScI-team vond een ongebruikelijk hoge snelheid, 45 km/s, die ze interpreteerden als het resultaat van een extra trap die het zogenaamde zwarte gat kreeg van de supernova die het voortbracht.

Low interpreteert de lage snelheidsschatting van haar team als mogelijke ondersteuning voor een nieuwe theorie dat zwarte gaten niet het resultaat zijn van supernovae – de huidige veronderstelling – maar in plaats daarvan afkomstig zijn van mislukte supernovae die geen heldere plons in het universum maken of de resulterende zwart gat een kick.

Het werk van Lu en Lam wordt ondersteund door de National Science Foundation (1909641) en de National Aeronautics and Space Administration (NNG16PJ26C, NASA FINNESS 80NSSC21K2043).