Откриха „тъмна“ свободно плаваща черна дупка, една от 200-те милиона в галактиката

Черните дупки, по своето естество, са невидими, освен ако не са част от звездна двойна система или са заобиколени от акреционен диск.

Повечето черни дупки със звездни размери не са такива, и астрономите ги търсят чрез микро гравитационни лещи, при които черната дупка изкривява светлината от звездите към центъра на галактиката.

Ако, както смятат астрономите, смъртта на големите звезди оставя след себе си черни дупки, би трябвало да има стотици милиони от тях, разпръснати из галактиката Млечния път. Проблемът е, че изолираните черни дупки са невидими.

Екип, ръководен от Калифорнийския университет, Бъркли, може да е открил първата свободно плаваща черна дупка, въпреки че са необходими повече данни, за да се изключи неутронна звезда.

Сега, екип астрономи, ръководен от Калифорнийския университет в Бъркли, за първи път открива свободно плаваща черна дупка, наблюдавайки увеличаването на яркостта на по-далечна звезда, тъй като нейната светлина е изкривена от силното гравитационно поле на обекта - т. нар. микро гравитационна леща.

Екипът изчислява, че масата на невидимия компактен обект е между 1,6 и 4,4 пъти по-голяма от тази на Слънцето. Тъй като астрономите смятат, че остатъците от мъртва звезда трябва да са по-масивни от 2,2 слънчеви маси, за да колапсират до черна дупка, изследователите предупреждават, че обектът може да е и неутронна звезда вместо черна дупка. Неутронните звезди също са плътни, силно компактни обекти, но тяхната гравитация е балансирана от вътрешното неутронно налягане, което предотвратява по-нататъшния колапс до черна дупка.

Независимо дали е черна дупка или неутронна звезда, обектът е първият тъмен звезден труп открит, скитащ из галактиката ни, без партньор друга звезда.

_{Принципът на микро гравитационните лещи. Кредит: ESA/Hubble}

Ако се определи колко от тези компактни обекти има в галактиката Млечния път, това ще помогне на астрономите да разберат еволюцията на звездите - по-специално как те умират - и може би да открият дали някоя от невидимите черни дупки е първична черна дупка, за които някои космолози смятат, че са произведени в големи количества по време на Големия взрив.

Анализът на международния екип е приет за публикуване в The Astrophysical Journal Letters. Той включва четири други събития с микро гравитационни лещи, за които екипът заключава, че не са причинени от черна дупка, причината на две от тях вероятно е бяло джудже или неутронна звезда. Екипът също така смята, че вероятната популация от черни дупки в галактиката е 200 милиона - това, което повечето теоретици прогнозират.

Едни и същи данни, различни заключения

По-специално, конкурентен екип от Научния институт за космически телескопи (STScI) в Балтимор анализира същото събитие с микро гравитационна леща и твърди, че масата на компактния обект е по-близка до 7,1 слънчеви маси и е безспорно черна дупка. Документ, описващ анализа от екипа на STScI, ръководен от Кайлаш Саху (Kailash Sahu), е приет за публикуване в The Astrophysical Journal.

И двата екипа са използвали едни и същи данни: фотометрични измервания на увеличаването на яркостта на далечната звезда, тъй като нейната светлина е била изкривена от суперкомпактния обект, и астрометрични измервания на изместването на местоположението на далечната звезда в небето в резултат на гравитационното изкривяване от лещата.

Фотометричните данни идват от две изследвания с микро гравитационни лещи: експериментът с оптична гравитационна леща (OGLE - Optical Gravitational Lensing Experiment), който използва 1,3-метров телескоп в Чили, управляван от Варшавския университет, и експериментът MOA (Microlensing Observations in Astrophysics), който е монтиран на 1,8- метров телескоп в Нова Зеландия, управляван от Университета в Осака. Астрометричните данни идват от космическия телескоп "Хъбъл" на НАСА. STScI управлява научната програма за телескопа и провежда неговите научни операции.

Тъй като и двете изследвания с микро гравитационни лещи са уловили един и същ обект, той има две имена: MOA-2011-BLG-191 и OGLE-2011-BLG-0462, или накратко OB110462.

Проучвания като тези откриват около 2000 звезди с увеличена яркост заради микро гравитационни лещи всяка година в галактиката Млечния път, така че добавянето на астрометрични данни позволява на двата екипа да засекат масата на компактния обект и разстоянието му от Земята. Екипът, ръководен от Калифорнийския университет в Бъркли, изчислява, че се намира на разстояние между 2280 и 6260 светлинни години (700-1920 парсека) в посока към центъра на галактиката Млечния път и близо до голямата издутина, която заобикаля централната масивна черна дупка на галактиката.

Групата STScI е изчислила, че се намира на около 5 153 светлинни години (1 580 парсека) от нас.

^{Изображение от космическия телескоп "Хъбъл" на далечна звезда, която е осветена и изкривена от невидим, но много компактен и тежък обект между нея и Земята. Компактният обект, оценен от астрономите от Калифорнийския университет, Бъркли, че е между 1,6 и 4,4 пъти по-масивен от нашето Слънце, може да е свободно плаваща черна дупка, една от може би 200-те милиона в галактиката Млечния път. Кредит: STScI/NASA/ESA}

Търсене на игла в купа сено

Когато за първи път през 2020 г. екипът на STScI заключава условно, че пет събития на микро гравитационни лещи, наблюдавани от "Хъбъл" - продължили повече от 100 дни биха могли да са черни дупки, групата астрономи от Калифорнийския университет, Бъркли, започва да се интересува от обекта, усъмнявайки се, че тези събития все пак може да не са причинени от компактни обекти.

Джесика Лу (Jessica Lu), доцент по астрономия в Калифорнийския университет в Бъркли, която търси свободно плаващи черни дупки от 2008 г., смята, че данните ще й помогнат да оцени по-добре техния брой в галактиката, приблизително оценен на между 10 милиона и 1 милиард. Към днешна дата черни дупки с размер на звезда са открити само като част от двойни звездни системи. Черните дупки в двойните системи се виждат или в рентгенови лъчи, получени, когато материал от звездата падне върху черната дупка, или от детектори на гравитационни вълни, които са чувствителни към сливане на две или повече черни дупки. Но тези събития са редки.

„Кейси и аз видяхме данните и наистина се заинтригувахме. Казахме „Уау, няма черни дупки. Това е невероятно“, въпреки че трябваше да има“, разказва Лу. "И така, ние започнахме да разглеждаме данните. Ако наистина нямаше черни дупки в данните, тогава това нямаше да съответства на нашия модел за това колко черни дупки трябва да има в Млечния път. Нещо би трябвало да се промени в нашата представа за черните дупки - или техния брой, или колко бързо се движат, или техните маси."

Когато Кейси Лам (Casey Lam), аспирант в Калифорнийския университет в Бъркли, анализира фотометрията и астрометрията за петте събития на микро гравитационни лещи, тя е изненадана, че едното, OB110462, има характеристиките на компактен обект: линдзираният обект изглежда тъмен и следователно не звезда. Увеличаването на яркостта на звездата продължава дълго време, близо 300 дни и изкривяването на позицията на фоновата звезда също е дълготрайно.

Продължителността на събитието е основният сигнал, разказва Лам. През 2020 г. тя показва, че най-добрият начин за търсене на на микро гравитационни лещи за черни дупки е да се търсят много продължителни събития. Само 1% от откриваемите събития с микролещи вероятно са от черни дупки, обяснява Лам, така че разглеждането на всички събития би било като търсене на игла в купа сено. Но, по изчисления на Лам, около 40% от събитията с микролещи, които продължават повече от 120 дни, вероятно са черни дупки.

„Колко дълго продължава увеличаването на яркостта е намек за това колко масивна е лещата на преден план, която огъва светлината на фоновата звезда“, отбелязва Лам.

„По-дълго продължаващите събития са по-вероятни да са причинени от черни дупки. Това обаче не е гаранция, тъй като продължителността на епизода на увеличаване на яркостта не зависи само от това колко масивна е лещата на предния план, но също така и от това колко бързо се движат лещата на преден план и звездата на фона. Една спрямо друга. Въпреки това, като получим също и измерванията на видимото положение на фоновата звезда, можем да потвърдим дали лещата на преден план наистина е черна дупка."

Според Лу гравитационното влияние на OB110462 върху светлината на фоновата звезда е невероятно продължително. Нужно бе около една година, за да увеличи яркостта на звездата до своя връх през 2011 г., след което около година, за да се върне към нормалното.

„Колкото и да искаме да кажем, че това определено е черна дупка, трябва да докладваме всички възможни решения. Това включва както черни дупки с по-ниска маса, така и дори неутронна звезда", отбелязва Лу.

„Ако не можете да повярвате на кривата на светимостта, на яркостта, тогава това говори нещо важно. Ако не вярвате на позицията спрямо времето, това ви казва нещо важно“, смята Лам. „Така че, ако нещо от тях е пофрешно, трябва да разберем защо. Или другата възможност е това, което измерваме и в двата набора от данни, да е правилно, но нашият модел е неправилен. Данните от фотометрията и астрометрията произтичат от един и същ физически процес, което означава, че яркостта и позицията трябва да са съвместими една с друга. Значи там нещо липсва.”

И двата екипа оценяват скоростта на свръхкомпактната леща. Екипът на Лу и Лам установява относително спокойна скорост, по-малко от 30 километра в секунда. Екипът на STScI открива необичайно голяма скорост, 45 км/сек, която интерпретира като резултат от допълнителен импулс, който предполагаемата черна дупка е получила от свръхновата, която я генерира.

Лу тълкува оценката за ниска скорост на нейния екип като потенциално подкрепяща нова теория, че черните дупки не са резултат от свръхнови - преобладаващото предположение днес - а вместо това идват от неуспешни супернови, които не дават ярък сигнал във Вселената или не предизвикват тласък на получената черна дупка.

Справка:

1. Casey Y. Lam, Jessica R. Lu, Andrzej Udalski, Ian Bond, David P. Bennett, Jan Skowron, Przemek Mroz, Radek Poleski, Takahiro Sumi, Michal K. Szymanski, Szymon Kozlowski, Pawel Pietrukowicz, Igor Soszynski, Krzysztof Ulaczyk, Lukasz Wyrzykowski, Shota Miyazaki, Daisuke Suzuki, Naoki Koshimoto, Nicholas J. Rattenbury, Matthew W. Hosek Jr., Fumio Abe, Richard Barry, Aparna Bhattacharya, Akihiko Fukui, Hirosane Fujii, Yuki Hirao, Yoshitaka Itow, Rintaro Kirikawa, Iona Kondo, Yutaka Matsubara, Sho Matsumoto, Yasushi Muraki, Greg Olmschenk, Clement Ranc, Arisa Okamura, Yuki Satoh, Stela Ishitani Silva, Taiga Toda, Paul J. Tristram, Aikaterini Vandorou, Hibiki Yama, Natasha S. Abrams, Shrihan Agarwal, Sam Rose, Sean K. Terry. An isolated mass gap black hole or neutron star detected with astrometric microlensing. Accepted to APJ Letters, 2022 [abstract]
2. Kailash C. Sahu, Jay Anderson, Stefano Casertano, Howard E. Bond, Andrzej Udalski, Martin Dominik, Annalisa Calamida, Andrea Bellini, Thomas M. Brown, Marina Rejkuba, Varun Bajaj, Noe Kains, Henry C. Ferguson, Chris L. Fryer, Philip Yock, Przemek Mroz, Szymon Kozlowski, Pawel Pietrukowicz, Radek Poleski, Jan Skowron, Igor Soszynski, Michael K. Szymanski, Krzysztof Ulaczyk, Lukasz Wyrzykowski, Richard Barry, David P. Bennett, Ian A. Bond, Yuki Hirao, Stela Ishitani Silva, Iona Kondo, Naoki Koshimoto, Clement Ranc, Nicholas J. Rattenbury, Takahiro Sumi, Daisuke Suzuki, Paul J. Tristram, Aikaterini Vandorou, Jean-Philippe Beaulieu, Jean-Baptiste Marquette, Andrew Cole, Pascal Fouque, Kym Hill, Stefan Dieters, Christian Coutures, Dijana Dominis-Prester, Clara Bennett, Etienne Bachelet, John Menzies, Michael Alb-row, Karen Pollard, Andrew Gould, Jennifer Yee, William Allen, Leonardo Andrade de Almeida, Grant Christie, John Drummond, Avishay Gal-Yam, Evgeny Gorbikov, Francisco Jablonski, Chung-Uk Lee, Dan Maoz, Ilan Manulis, Jennie McCormick, Tim Natusch, Richard W. Pogge, Yossi Shvartzvald, Uffe G. Jorgensen, Khalid A. Alsubai, Michael I. Andersen, Valerio Bozza, Sebastiano Calchi Novati, Martin Burgdorf, Tobias C. Hinse, Markus Hundertmark, Tim-Oliver Husser, Eamonn Kerins, Penelope Longa-Pena, Luigi Mancini, Matthew Penny, Sohrab Rahvar, Davide Ricci, Sedighe Sajadian, Jesper Skottfelt, Colin Snodgrass, John Southworth, Jeremy Tregloan-Reed, Joachim Wambsganss, Olivier Wertz, Yiannis Tsapras, Rachel A. Street, Daniel M. Bramich, Keith Horne, Iain A. Steele. An Isolated Stellar-Mass Black Hole Detected Through Astrometric Microlensing. Accepted to APJ, 2022 [abstract]

Източник: Astronomers may have detected a 'dark' free-floating black holeGravitational microlensing turns up black hole candidate, one of 200 million in the galaxy
University of California - Berkeley

Още по темата

09/06/2022

Космос

Космическата зора приключва с още 200 милиона години по-късно

16/05/2022

Космос

Видяхме новото изображение на черната дупка на Млечния път – сега да го чуем!

14/05/2022

Космос

Черната дупка Стрелец A*, изобразена и в рентгенови лъчи

12/05/2022

Космос

Първото изображение на свръхмасивната черна дупка в центъра на Млечния път (видео)