Svarta hål är en viktig del av hur astrofysiker förstår universum – så viktigt att forskare har försökt bygga en inventering av alla svarta hål i Vintergatans galax.

Men ny forskning visar att deras sökning kan ha saknat en hel klass av svarta hål som de inte visste fanns.

I en studie publicerad i dag i tidskriften Vetenskap , astronomer erbjuder ett nytt sätt att söka efter svarta hål, och visa att det är möjligt att det finns en klass av svarta hål som är mindre än de minsta kända svarta hålen i universum.

"Vi visar denna antydan om att det finns en annan befolkning där ute som vi ännu inte riktigt har undersökt i sökandet efter svarta hål, sa Todd Thompson, en professor i astronomi vid Ohio State University och huvudförfattare till studien.

"Människor försöker förstå supernovaexplosioner, hur supermassiva svarta stjärnor exploderar, hur grundämnena bildades i supermassiva stjärnor. Så om vi kunde avslöja en ny population av svarta hål, det skulle berätta mer om vilka stjärnor som exploderar, som inte gör det, som bildar svarta hål, som bildar neutronstjärnor. Det öppnar upp ett nytt studieområde."

Föreställ dig en folkräkning av en stad som bara räknade personer 5'9" och längre - och föreställ dig att folkräkningstagarna inte ens visste att det fanns personer som var kortare än 5'9". Uppgifterna från den folkräkningen skulle vara ofullständiga, ger en felaktig bild av befolkningen. Det är i huvudsak vad som har hänt i sökandet efter svarta hål, sa Thompson.

Astronomer har länge letat efter svarta hål, som har gravitationsdrag så våldsamma att ingenting – spelar ingen roll, inte strålning – kan fly. Svarta hål bildas när några stjärnor dör, krympa in i sig själva, och explodera. Astronomer har också letat efter neutronstjärnor – små, täta stjärnor som bildas när vissa stjärnor dör och kollapsar.

Båda kan innehålla intressant information om elementen på jorden och om hur stjärnor lever och dör. Men för att avslöja den informationen, astronomer måste först ta reda på var de svarta hålen finns. Och för att ta reda på var de svarta hålen är, de behöver veta vad de letar efter.

En ledtråd:Svarta hål finns ofta i något som kallas ett binärt system. Detta betyder helt enkelt att två stjärnor är tillräckligt nära varandra för att låsas ihop av gravitationen i en ömsesidig bana runt varandra. När en av dessa stjärnor dör, den andra kan vara kvar, fortfarande kretsar runt rymden där den döda stjärnan – nu ett svart hål eller neutronstjärna – en gång levde, och där ett svart hål eller neutronstjärna har bildats.

I åratal, de svarta hålen som forskarna kände till var alla mellan cirka fem och 15 gånger solens massa. De kända neutronstjärnorna är i allmänhet inte större än cirka 2,1 gånger solens massa – om de var över 2,5 gånger solens massa, de skulle kollapsa till ett svart hål

Men sommaren 2017, en undersökning som heter LIGO – Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – såg två svarta hål smälta samman i en galax cirka 1,8 miljarder ljusår bort. Ett av dessa svarta hål var ungefär 31 gånger solens massa; den andra cirka 25 gånger solens massa.

"Omedelbart, alla var som "wow, ' för att det var en så spektakulär sak, Thompson sa. "Inte bara för att det bevisade att LIGO fungerade, utan för att massorna var enorma. Svarta hål i den storleken är en stor sak – vi hade inte sett dem förut."

Thompson och andra astrofysiker hade länge misstänkt att svarta hål kan komma i storlekar utanför det kända intervallet, och LIGO:s upptäckt bevisade att svarta hål kunde vara större. Men det återstod ett fönster av storlek mellan de största neutronstjärnorna och de minsta svarta hålen.

Thompson bestämde sig för att se om han kunde lösa det mysteriet.

Han och andra forskare började kamma igenom data från APOGEE, Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment, som samlade ljusspektra från cirka 100, 000 stjärnor över Vintergatan. Spektrat, Thompson insåg, kan visa om en stjärna kanske kretsar runt ett annat objekt:Förändringar i spektra - en förskjutning mot blåare våglängder, till exempel, följt av en övergång till rödare våglängder – kunde visa att en stjärna kretsade runt en osynlig följeslagare.

Thompson började kamma igenom data, letar efter stjärnor som visade den förändringen, vilket indikerar att de kan kretsa runt ett svart hål.

Sedan, han minskade APOGEE-data till 200 stjärnor som kan vara mest intressanta. Han gav uppgifterna till en forskarassistent vid Ohio State, Tharindu Jayasinghe, som sammanställde tusentals bilder av varje potentiellt binärt system från ASAS-SN, All-Sky Automated Survey for Supernovae. (ASAS-SN har hittat några 1, 000 supernovor, och är slut från Ohio State.)

Deras dataknäppning hittade en jättelik röd stjärna som verkade kretsa kring något, men det där, baserat på deras beräkningar, var troligen mycket mindre än de kända svarta hålen i Vintergatan, men mycket större än de flesta kända neutronstjärnor.

Efter fler beräkningar och ytterligare data från Tillinghast Reflector Echelle Spectrograph och Gaia-satelliten, de insåg att de hade hittat ett svart hål med låg massa, troligen cirka 3,3 gånger solens massa.

"Vad vi har gjort här är att komma på ett nytt sätt att söka efter svarta hål, men vi har också potentiellt identifierat ett av de första i en ny klass av lågmassa svarta hål som astronomer inte tidigare hade känt till." Thompson sa. "Mängden av saker berättar för oss om deras bildning och utveckling, och de berättar om sin natur."