Οι αστρονόμοι ανακάλυψαν την πλησιέστερη μαύρη τρύπα στη γη – στην κοσμική αυλή

Το τηλεσκόπιο Gemini North στη Χαβάη αποκαλύπτει το πρώτο αδρανές αστρικό σμήνος[{” 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.

Αυτό το κινούμενο σχέδιο δείχνει ένα αστέρι που μοιάζει με ήλιο να περιφέρεται γύρω από τη Gaia BH1, την πλησιέστερη μαύρη τρύπα στη Γη, που βρίσκεται περίπου 1.600 έτη φωτός μακριά. Οι παρατηρήσεις του Gemini North, ενός από τα δίδυμα τηλεσκόπια του Διεθνούς Αστεροσκοπείου Gemini, που λειτουργεί από το NOIRLab της NSF, ήταν ζωτικής σημασίας για τον περιορισμό της τροχιακής κίνησης και επομένως των μαζών των δύο συστατικών στο δυαδικό σύστημα, επιτρέποντας στην ομάδα να αναγνωρίσει το κεντρικό αντικείμενο ως μια μαύρη τρύπα περίπου 10 φορές τη μάζα του Ήλιου μας. Πιστώσεις: T. Müller (MPIA), PanSTARRS DR1 (KC Chambers et al. 2016), ESA/Gaia/DPAC

«Πάρτε το ηλιακό σύστημα, βάλτε μια μαύρη τρύπα εκεί που είναι ο ήλιος και ο ήλιος είναι εκεί που είναι η Γη, και θα έχετε αυτό το σύστημα», εξηγεί ο Karim El-Badri, αστροφυσικός στο Αστροφυσικό Κέντρο. Harvard, Smithsonian, and Max Planck Institute for Astronomy, και κύριος συγγραφέας της εργασίας που περιγράφει αυτήν την ανακάλυψη, που δημοσιεύτηκε στις 2 Νοεμβρίου στο Μηνιαίες Ανακοινώσεις της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας.

Ενώ έχουν γίνει πολλές ισχυριζόμενες ανακαλύψεις τέτοιων συστημάτων, σχεδόν όλες αυτές οι ανακαλύψεις στη συνέχεια διαψεύστηκαν. Αυτή είναι η πρώτη αναμφισβήτητη ανακάλυψη ενός αστεριού που μοιάζει με ήλιο σε μια ευρεία τροχιά γύρω από μια αστρική μαύρη τρύπα στον γαλαξία μας».

Αν και υπάρχουν εκατομμύρια μαύρες τρύπες αστρικής μάζας που περιφέρονται στον Γαλαξία μας, πολύ λίγες έχουν ανακαλυφθεί μέσω των ενεργών αλληλεπιδράσεών τους με ένα συνοδό αστέρι. Καθώς το υλικό από ένα κοντινό αστέρι κινείται σπειροειδή προς την κατεύθυνση της μαύρης τρύπας, γίνεται εξαιρετικά ζεστό και παράγει ισχυρές ακτίνες Χ και πίδακες υλικού. Εάν μια μαύρη τρύπα δεν τροφοδοτείται ενεργά (δηλαδή κοιμάται), απλώς συγχωνεύεται με το περιβάλλον της.

“Έψαχνα για αδρανείς μαύρες τρύπες τα τελευταία τέσσερα χρόνια χρησιμοποιώντας ένα ευρύ φάσμα συνόλων δεδομένων και μεθόδων”, είπε ο Al-Badri. «Οι προηγούμενες προσπάθειές μου -όπως και άλλων- οδήγησαν σε μια σειρά από δυαδικά συστήματα που μεταμφιέζονται σε μαύρες τρύπες, αλλά αυτή είναι η πρώτη φορά που η έρευνα έχει καρποφορήσει».

Η ομάδα αρχικά προσδιόρισε το σύστημα ως δυνητικά φιλοξενώντας μια μαύρη τρύπα αναλύοντας δεδομένα από Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος Διαστημικό σκάφος Gaia. Η Γαία κατέγραψε τις μικρές ανωμαλίες στην κίνηση του άστρου που προκαλούνται από τη βαρύτητα ενός τεράστιου, αόρατου αντικειμένου. Για να εξερευνήσουν το σύστημα με περισσότερες λεπτομέρειες, ο Al-Badri και η ομάδα του στράφηκαν στο όργανο Gemini Multi-Object Spectrograph στο Gemini North, το οποίο μέτρησε την ταχύτητα του συνοδού αστεριού καθώς περιφερόταν γύρω από τη μαύρη τρύπα και παρείχε ακριβή μέτρηση της περιόδου της τροχιάς του. . Οι επακόλουθες παρατηρήσεις του Gemini ήταν ζωτικής σημασίας για τον περιορισμό της τροχιακής κίνησης και επομένως των μαζών των δύο συστατικών στο δυαδικό σύστημα, επιτρέποντας στην ομάδα να αναγνωρίσει το κεντρικό αντικείμενο ως μια μαύρη τρύπα περίπου 10 φορές τη μάζα του ήλιου μας.

Ο Αλ-Μπάντρι εξήγησε ότι «οι παρατηρήσεις μας για τη συνέχεια του Διδύμου επιβεβαίωσαν πέρα ​​από κάθε αμφιβολία ότι το δυαδικό σύστημα περιέχει ένα συνηθισμένο αστέρι και τουλάχιστον μια αδρανή μαύρη τρύπα». «Δεν μπορέσαμε να βρούμε ένα εύλογο αστροφυσικό σενάριο που θα μπορούσε να εξηγήσει την παρατηρούμενη τροχιά ενός συστήματος που δεν περιλαμβάνει τουλάχιστον μία μαύρη τρύπα».

Η ομάδα βασίστηκε όχι μόνο στις εντυπωσιακές δυνατότητες παρακολούθησης του Gemini North, αλλά και στην ικανότητα του Gemini να παρέχει δεδομένα σε στενή προθεσμία, καθώς η ομάδα είχε μόνο λίγο χρόνο για να κάνει τις επακόλουθες παρατηρήσεις της.

“Όταν είχαμε τις πρώτες ενδείξεις ότι το σύστημα περιείχε μια μαύρη τρύπα, είχαμε μόνο μια εβδομάδα πριν τα δύο αντικείμενα βρεθούν στον πλησιέστερο τροχιακό διαχωρισμό τους. Οι μετρήσεις σε αυτό το σημείο είναι απαραίτητες για να γίνουν ακριβείς εκτιμήσεις της μάζας σε ένα δυαδικό σύστημα”, δήλωσε ο Al – είπε ο Μπάντρι. “Η ικανότητα του Gemini να παρέχει ανατροφοδότηση σε σύντομο χρονικό διάστημα ήταν κρίσιμη για την επιτυχία του έργου. Αν χάναμε αυτό το στενό παράθυρο, έπρεπε να περιμένουμε άλλον έναν χρόνο.”

Είναι δύσκολο να πιέσουμε σκληρά τα τρέχοντα μοντέλα των αστρονόμων για την εξέλιξη των δυαδικών συστημάτων για να εξηγήσουμε πώς προέκυψε ο περίεργος σχηματισμός της Gaia BH1. Συγκεκριμένα, το προγονικό αστέρι που αργότερα μετατράπηκε στη μαύρη τρύπα που ανακαλύφθηκε πρόσφατα ήταν τουλάχιστον είκοσι φορές η μάζα του ήλιου μας. Αυτό σημαίνει ότι θα είχε ζήσει μόνο μερικά εκατομμύρια χρόνια. Εάν και τα δύο αστέρια σχηματίζονταν ταυτόχρονα, αυτό το τεράστιο αστέρι θα μετατρεπόταν γρήγορα σε υπεργίγαντα, φουσκώνοντας και καταποντίζοντας το άλλο αστέρι πριν προλάβει να γίνει ένα κατάλληλο αστέρι κύριας ακολουθίας με καύση υδρογόνου όπως ο Ήλιος μας.

Δεν είναι καθόλου σαφές πώς ένα αστέρι ηλιακής μάζας θα μπορούσε να επιβιώσει από αυτόν τον δακτύλιο και να καταλήξει ως ένα φαινομενικά κανονικό αστέρι, όπως υποδηλώνουν οι παρατηρήσεις μιας δυαδικής μαύρης τρύπας. Όλα τα θεωρητικά μοντέλα που επιτρέπουν την επιβίωση προβλέπουν ότι το αστέρι της ηλιακής μάζας θα έπρεπε να είχε καταλήξει σε μια πιο σφιχτή τροχιά από ό,τι παρατηρείται στην πραγματικότητα.

Αυτό μπορεί να υποδηλώνει σημαντικά κενά στην κατανόησή μας για το πώς σχηματίζονται και εξελίσσονται οι μαύρες τρύπες σε δυαδικά συστήματα, καθώς και να υποδηλώνει την ύπαρξη μιας ακόμη ανεξερεύνητης ομάδας αδρανών μαύρων οπών σε δυαδικά συστήματα.

«Είναι ενδιαφέρον ότι αυτό το σύστημα δεν μπορεί να προσαρμοστεί εύκολα από τυπικά μοντέλα δυαδικής εξέλιξης», κατέληξε ο Al-Badri. «Θεωρεί πολλά ερωτήματα για το πώς σχηματίστηκε αυτό το δυαδικό σύστημα, καθώς και πόσες μαύρες τρύπες κρύβονται».

«Ως μέρος ενός δικτύου διαστημικών και επίγειων παρατηρητηρίων, το Gemini North όχι μόνο παρείχε ισχυρές αποδείξεις για την πλησιέστερη μαύρη τρύπα μέχρι σήμερα, αλλά επίσης παρείχε το πρώτο αρχικό σύστημα μαύρης τρύπας, διατεταγμένο στο συνηθισμένο θερμό αέριο που αλληλεπιδρά με μια μαύρη τρύπα. τρύπα», είπε ο Μάρτιν Στιλ, υπεύθυνος του Προγράμματος Gemini για το Ίδρυμα NSF. “Ενώ αυτό προμηνύει δυνητικά μελλοντικές ανακαλύψεις του αναμενόμενου σμήνος αδρανών μαύρων τρυπών του γαλαξία μας, οι παρατηρήσεις αφήνουν επίσης ένα μυστήριο προς επίλυση – παρά την κοινή ιστορία με τον εξωγήινο γείτονά του, γιατί ένα αστέρι συντροφιάς σε αυτό το δυαδικό σύστημα είναι τόσο φυσιολογικό;”

Αναφορά: «Sun-like star orbiting a black hole» των Karim Badri, Hans Walter Rex, Elliot Quatert, Andrew W. Howard, Howard Isaacson, Jim Fuller, Keith Hawkins, Katelyn Breivik, Kazi WK Wong, Antonio C. Rodriguez, Charlie Conroy, Glamour Shahav, Tsvi Mazeh, Frédéric Arino, Kevin B. Berdge, Dolev Bachi, Simchon Weigler, Daniel R. Weisz, Rhys Seiberger, Silvia Almada Münter και Jennifer Wuino, 2 Νοεμβρίου 2022, Μηνιαίες Ανακοινώσεις της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας.
DOI: 10.1093/mnras/stac3140

Οι σημειώσεις του Gemini North πραγματοποιήθηκαν ως μέρος του Προγράμματος Εκτιμώμενου Χρόνου του Διευθυντή (Αναγνωριστικό προγράμματος: GN-2022B-DD-202).

Το Διεθνές Παρατηρητήριο Gemini λειτουργεί από μια συνεργασία έξι χωρών, συμπεριλαμβανομένων των Ηνωμένων Πολιτειών μέσω του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών, του Καναδά μέσω του Εθνικού Συμβουλίου Ερευνών του Καναδά, της Χιλής μέσω του Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo, της Βραζιλίας μέσω του Υπουργείου Επιστήμης και Τεχνολογίας, e. Inovações, Αργεντινή μέσω του Ministryio de Ciencia, Tecnología e Innovación και Κορέα μέσω του Ινστιτούτου Αστρονομίας και Διαστημικών Επιστημών της Κορέας. Αυτοί οι συμμετέχοντες και το Πανεπιστήμιο της Χαβάης, το οποίο έχει τακτική πρόσβαση στο Gemini, διατηρούν ο καθένας ένα “Εθνικό Γραφείο Gemini” για την υποστήριξη των τοπικών χρηστών.