Astronomen hebben het dichtstbijzijnde zwarte gat op aarde ontdekt – in de kosmische achtertuin

De Gemini North Telescope op Hawaï onthult de eerste slapende sterrenhoop[{” 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.

Deze animatie toont een zonachtige ster in een baan om Gaia BH1, het dichtstbijzijnde zwarte gat bij de aarde, op ongeveer 1600 lichtjaar afstand. Waarnemingen van Gemini North, een van de tweelingtelescopen van het Gemini International Observatory, beheerd door NSF’s NOIRLab, waren cruciaal om de orbitale beweging en dus de massa’s van de twee componenten in het binaire systeem te beperken, waardoor het team het centrale object kon identificeren als een zwart gat van ongeveer 10 keer de massa van onze zon. Credit: T. Müller (MPIA), PanSTARRS DR1 (KC Chambers et al. 2016), ESA/Gaia/DPAC

“Neem het zonnestelsel, plaats een zwart gat waar de zon is, en de zon is waar de aarde is, en je hebt dit systeem”, legt Karim El-Badri, een astrofysicus bij het Astrophysical Center, uit. Harvard, Smithsonian en Max Planck Institute for Astronomy, en hoofdauteur van het artikel dat deze ontdekking beschrijft, gepubliceerd op 2 november in Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society.

Hoewel er veel beweerde ontdekkingen van dergelijke systemen zijn gedaan, zijn bijna al deze ontdekkingen vervolgens weerlegd. Dit is de eerste ondubbelzinnige ontdekking van een zonachtige ster in een brede baan rond een stellair zwart gat in onze melkweg.”

Hoewel er miljoenen stellaire zwarte gaten door de Melkweg zwerven, zijn er maar heel weinig ontdekt door hun actieve interactie met een begeleidende ster. Als materiaal van een nabije ster in de richting van het zwarte gat draait, wordt het extreem heet en genereert het krachtige röntgenstralen en materiaalstralen. Als een zwart gat niet actief voedt (dwz het slaapt), versmelt het gewoon met zijn omgeving.

“Ik ben de afgelopen vier jaar op zoek geweest naar slapende zwarte gaten met behulp van een breed scala aan datasets en methoden”, zei Al-Badri. “Mijn eerdere pogingen – evenals die van anderen – hebben geleid tot een reeks binaire systemen die zich voordoen als zwarte gaten, maar dit is de eerste keer dat het onderzoek tot wasdom komt.”

Het team identificeerde oorspronkelijk dat het systeem mogelijk een zwart gat herbergt door gegevens te analyseren van: Europees Ruimteagentschap Gaia ruimtevaartuig. Gaia legde de minuscule onregelmatigheden vast in de beweging van de ster, veroorzaakt door de zwaartekracht van een massief, onzichtbaar object. Om het systeem in meer detail te onderzoeken, wendden Al-Badri en zijn team zich tot het Gemini Multi-Object Spectrograph-instrument in Gemini North, dat de snelheid van de begeleidende ster heeft gemeten terwijl deze om het zwarte gat draaide en een nauwkeurige meting van de periode van zijn baan opleverde . De vervolgwaarnemingen van Gemini waren cruciaal om de orbitale beweging en dus de massa’s van de twee componenten in het binaire systeem te beperken, waardoor het team het centrale object kon identificeren als een zwart gat dat ongeveer 10 keer de massa van onze zon is.

Al-Badri legde uit dat “onze waarnemingen van Gemini’s follow-up zonder enige twijfel bevestigden dat de dubbelster een gewone ster en ten minste één slapend zwart gat bevat.” “We konden geen plausibel astrofysisch scenario vinden dat de waargenomen baan van een systeem zou kunnen verklaren dat niet ten minste één zwart gat bevat.”

Het team vertrouwde niet alleen op de indrukwekkende monitoringmogelijkheden van Gemini North, maar ook op het vermogen van Gemini om gegevens te verstrekken binnen een strakke deadline, aangezien het team maar een korte tijd had om hun vervolgwaarnemingen te doen.

“Toen we de eerste aanwijzingen hadden dat het systeem een ​​zwart gat bevatte, hadden we slechts een week voordat de twee objecten zich op hun dichtste orbitale scheiding bevonden. Metingen op dit punt zijn nodig om nauwkeurige schattingen te maken van de massa in een binair systeem”, zegt Al. – zei Badri. “Gemini’s vermogen om op korte tijd feedback te geven was van cruciaal belang voor het succes van het project. Als we dat smalle venster misten, moesten we nog een jaar wachten.”

Het is moeilijk om de huidige modellen van harde astronomen van de evolutie van binaire systemen onder druk te zetten om te verklaren hoe de eigenaardige vorming van Gaia BH1 ontstond. In het bijzonder was de voorloperster die later het nieuw ontdekte zwarte gat werd, minstens twintig keer de massa van onze zon. Dit betekent dat ze maar een paar miljoen jaar zou hebben geleefd. Als beide sterren tegelijkertijd zouden ontstaan, zou die massieve ster snel in een superreus veranderen, waardoor de andere ster zou worden opgeblazen en opgeslokt voordat hij tijd had om een ​​echte, waterstofbrandende hoofdreeksster zoals onze zon te worden.

Het is helemaal niet duidelijk hoe een ster met zonnemassa die ring zou kunnen overleven en zou eindigen als een schijnbaar normale ster, zoals observaties van een dubbel zwart gat suggereren. Alle theoretische modellen die overleving mogelijk maken voorspellen dat de ster met de massa van de zon in een strakkere baan zou moeten zijn beland dan in werkelijkheid wordt waargenomen.

Dit kan wijzen op belangrijke lacunes in ons begrip van hoe zwarte gaten zich vormen en evolueren in binaire systemen, en ook op het bestaan ​​van een nog onontgonnen groep van slapende zwarte gaten in binaire systemen.

“Interessant is dat dit systeem niet gemakkelijk kan worden aangepast door standaard binaire evolutiemodellen”, concludeerde Al-Badri. “Het roept veel vragen op over hoe dit binaire systeem is gevormd en hoeveel zwarte gaten er op de loer liggen.”

“Als onderdeel van een netwerk van ruimte- en grondobservatoria heeft Gemini North niet alleen sterk bewijs geleverd voor het dichtstbijzijnde zwarte gat tot nu toe, maar ook het eerste originele zwarte gatsysteem geleverd, gerangschikt in het gebruikelijke hete gas dat in wisselwerking staat met een zwart gat. gat”, zegt Martin Steele, functionaris van het Gemini-programma voor de NSF Foundation. “Hoewel dit mogelijk een voorbode is van toekomstige ontdekkingen van de verwachte cluster van slapende zwarte gaten van onze melkweg, laten de waarnemingen ook een mysterie achter dat moet worden opgelost – ondanks de gedeelde geschiedenis met zijn buitenaardse buurman, waarom is een begeleidende ster in dit dubbelstersysteem zo normaal?”

Referentie: “Zonachtige ster in een baan om een ​​zwart gat” door 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 en Jennifer Wuino, 2 november 2022, Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stac3140

Gemini North-aantekeningen werden uitgevoerd als onderdeel van het geschatte tijdprogramma van de directeur (programma-ID: GN-2022B-DD-202).

Gemini International Observatory wordt beheerd door een samenwerkingsverband van zes landen, waaronder de Verenigde Staten via de National Science Foundation, Canada via de National Research Council of Canada, Chili via Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo, Brazilië via het ministerie van Wetenschap en Technologie. e Inovações, Argentinië via het Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación, en Korea via het Korea Institute of Astronomy and Space Sciences. Deze deelnemers en de Universiteit van Hawaï, die regelmatig toegang heeft tot Gemini, hebben elk een “Gemini National Office” om lokale gebruikers te ondersteunen.