Astronomové objevili nejbližší černou díru na Zemi – na kosmickém dvorku

Teleskop Gemini North na Havaji odhaluje první spící hvězdokupu[{“ 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.

Tato animace ukazuje hvězdu podobnou Slunci obíhající Gaia BH1, nejbližší černou díru k Zemi, která se nachází asi 1600 světelných let daleko. Pozorování Gemini North, jednoho ze dvou dalekohledů mezinárodní observatoře Gemini, provozovaného NSF NOIRLab, byla zásadní pro omezení orbitálního pohybu a tím i hmotností dvou složek v binárním systému, což týmu umožnilo identifikovat centrální objekt jako černá díra o hmotnosti asi 10krát větší než naše Slunce. Kredit: T. Müller (MPIA), PanSTARRS DR1 (KC Chambers et al. 2016), ESA/Gaia/DPAC

„Vezměte sluneční soustavu, dejte černou díru tam, kde je Slunce, a Slunce je tam, kde je Země, a budete mít tento systém,“ vysvětluje Karim El-Badri, astrofyzik z Astrofyzikálního centra. Harvard, Smithsonian a Max Planck Institute for Astronomy a hlavní autor článku popisujícího tento objev, publikovaného 2. Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti.

I když bylo zjištěno mnoho objevů takových systémů, téměř všechny tyto objevy byly následně vyvráceny. Toto je první jednoznačný objev hvězdy podobné Slunci na široké oběžné dráze kolem černé díry o hvězdné hmotnosti v naší galaxii.“

Přestože se po Mléčné dráze pohybují miliony černých děr s hvězdnou hmotností, jen velmi málo jich bylo objeveno prostřednictvím jejich aktivních interakcí s doprovodnou hvězdou. Jak se materiál z blízké hvězdy otáčí ve směru černé díry, stává se extrémně horkým a generuje silné rentgenové záření a výtrysky materiálu. Pokud se černá díra aktivně nekrmí (tj. spí), jednoduše splyne se svým okolím.

„Poslední čtyři roky jsem hledal spící černé díry pomocí široké škály datových souborů a metod,“ řekl Al-Badri. „Moje předchozí pokusy – stejně jako pokusy jiných – daly vzniknout řadě binárních systémů maskujících se jako černé díry, ale toto je poprvé, kdy se výzkum dostavil.“

Tým původně identifikoval systém jako potenciálně hostující černou díru analýzou dat z Evropská kosmická agentura Kosmická loď Gaia. Gaia zachytila ​​nepatrné nepravidelnosti v pohybu hvězdy způsobené gravitací masivního, neviditelného objektu. Pro podrobnější prozkoumání systému se Al-Badri a jeho tým obrátili na přístroj Gemini Multi-Object Spectrograph na Gemini North, který změřil rychlost doprovodné hvězdy na oběžné dráze černé díry a poskytl přesné měření doby jejího oběhu. . Následná pozorování Gemini byla zásadní pro omezení orbitálního pohybu a tím i hmotností dvou složek v binárním systému, což týmu umožnilo identifikovat centrální objekt jako černou díru o hmotnosti asi 10krát větší než hmotnost našeho Slunce.

Al-Badri vysvětlil, že „naše pozorování Blíženců nade vší pochybnost potvrdila, že dvojhvězda obsahuje obyčejnou hvězdu a alespoň jednu spící černou díru.“ „Nedokázali jsme najít věrohodný astrofyzikální scénář, který by mohl vysvětlit pozorovanou dráhu systému, který nezahrnuje alespoň jednu černou díru.“

Tým se spoléhal nejen na působivé monitorovací schopnosti Gemini North, ale také na schopnost Gemini poskytovat data v krátkém termínu, protože tým měl jen krátkou dobu na to, aby provedl svá následná pozorování.

„Když jsme měli první náznaky, že systém obsahuje černou díru, měli jsme jen týden, než se oba objekty dostaly na nejbližší orbitální vzdálenost. Měření v tomto bodě jsou nezbytná pro přesné odhady hmotnosti v binárním systému,“ Al – řekl Badri. „Schopnost Gemini poskytovat zpětnou vazbu v krátkém časovém měřítku byla rozhodující pro úspěch projektu. Pokud jsme toto úzké okno propásli, museli jsme počkat další rok.“

Současné astronomické modely evoluce binárních systémů je obtížné tvrdě tlačit, aby vysvětlily, jak zvláštní formace Gaia BH1 vznikla. Konkrétně progenitorová hvězda, která se později proměnila v nově objevenou černou díru, měla nejméně dvacetkrát hmotnost našeho Slunce. To znamená, že by žila jen několik milionů let. Pokud by se obě hvězdy vytvořily ve stejnou dobu, tato hmotná hvězda by se rychle proměnila v veleobra, nafoukla a pohltila druhou hvězdu dříve, než by se stihla stát skutečnou hvězdou hlavní posloupnosti spalující vodík, jako je naše Slunce.

Není vůbec jasné, jak mohla hvězda o hmotnosti slunečního záření přežít tento prstenec a skončit jako zdánlivě normální hvězda, jak naznačují pozorování binární černé díry. Všechny teoretické modely, které umožňují přežití, předpovídají, že hvězda o hmotnosti Slunce měla skončit na těsnější oběžné dráze, než je skutečně pozorována.

To může naznačovat důležité mezery v našem chápání toho, jak se černé díry tvoří a vyvíjejí v binárních systémech, a také naznačovat existenci dosud neprozkoumané skupiny spících černých děr v dvojhvězdách.

„Zajímavé je, že tento systém nelze snadno přizpůsobit standardními binárními evolučními modely,“ uzavřel Al-Badri. „Vyvolává to mnoho otázek o tom, jak se tento binární systém vytvořil, stejně jako o tom, kolik černých děr existuje.“

„Jako součást sítě vesmírných a pozemních observatoří Gemini North poskytla nejen silné důkazy o nejbližší černé díře k dnešnímu dni, ale také poskytla první původní systém černých děr, uspořádaný v obvyklém horkém plynu interagujícím s černou dírou. díra,“ řekl Martin Steele, úředník programu Gemini pro nadaci NSF. „Zatímco to potenciálně předznamenává budoucí objevy očekávaného shluku spících černých děr v naší galaxii, pozorování také zanechávají záhadu, kterou je třeba vyřešit – navzdory sdílené historii s jejím mimozemským sousedem, proč je doprovodná hvězda v tomto binárním systému tak normální?“

Reference: „Hvězda podobná Slunci obíhající černou díru“ od 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, Reiss Seiberger, Silvia Almada Münter a Jennifer Wuino, 2. listopadu 2022, Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti.
DOI: 10.1093/mnras/stac3140

Poznámky Gemini North byly provedeny jako součást programu odhadovaného času ředitele (ID programu: GN-2022B-DD-202).

Gemini International Observatory je provozována partnerstvím šesti zemí, včetně Spojených států prostřednictvím National Science Foundation, Kanady prostřednictvím National Research Council of Canada, Chile prostřednictvím Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo, Brazílie prostřednictvím Ministerstva vědy a technologie. e Inovações, Argentina prostřednictvím Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación a Korea prostřednictvím Korea Institute of Astronomy and Space Sciences. Tito účastníci a Havajská univerzita, která má pravidelný přístup do Gemini, mají každý „národní kancelář Gemini“ na podporu místních uživatelů.