Denna illustration visar ett kosmiskt mord i aktion. En egensinnig stjärna rivs sönder av den intensiva gravitationskraften från ett svart hål som innehåller tiotusentals solmassor. Stjärnresterna bildar en ansamlingsskiva runt det svarta hålet. Flaskor av röntgenljus från den överhettade gasskivan uppmärksammade astronomerna på var det svarta hålet var; annars lurade det okänt i mörkret. Det svårfångade föremålet klassificeras som ett svart hål med mellanmassa (IMBH), eftersom det är mycket mindre massivt än monstersvarta hålen som bor i galaxernas centrum. Därför, IMBH är mestadels stilla eftersom de inte drar in så mycket material, och är svåra att hitta. Hubble-observationer ger bevis på att IMBH lever inuti en tät stjärnhop. Klustret i sig kan vara den avskalade kärnan i en dvärggalax. Kredit:NASA, ESA och D. Player (STScI)
Astronomer har hittat de bästa bevisen för gärningsmannen till ett kosmiskt mord:ett svart hål av en svårfångad klass känd som "mellanmassa, " som förrådde sin existens genom att riva isär en egensinnig stjärna som passerade för nära.
Väger ungefär 50, 000 gånger massan av vår sol, det svarta hålet är mindre än de supermassiva svarta hålen (med miljoner eller miljarder solmassor) som ligger i kärnorna i stora galaxer, men större än de svarta hålen av stjärnmassa som bildas av kollapsen av en massiv stjärna.
Dessa så kallade svarta hål med mellanmassa (IMBH) är en länge eftersökt "missing link" i svarta håls evolution. Även om det har funnits några andra IMBH-kandidater, forskare anser att dessa nya observationer är de starkaste bevisen hittills för medelstora svarta hål i universum.
Det krävdes den kombinerade kraften från två röntgenobservatorier och den skarpa visionen från NASA:s rymdteleskop Hubble för att spika fast det kosmiska odjuret.
"Svarta hål med mellanmassa är mycket svårfångade föremål, och därför är det viktigt att noggrant överväga och utesluta alternativa förklaringar för varje kandidat. Det är vad Hubble har tillåtit oss att göra för vår kandidat, " sa Dacheng Lin vid University of New Hampshire, huvudutredare för studien. Resultaten publiceras den 31 mars, 2020, i The Astrofysiska tidskriftsbrev .
Berättelsen om upptäckten läser som en Sherlock Holmes-berättelse, involverar den noggranna steg-för-steg-uppbyggnaden som krävs för att fånga den skyldige.
Lin och hans team använde Hubble för att följa upp ledtrådar från NASA:s Chandra X-ray Observatory och ESA:s (Europeiska rymdorganisationen) X-ray Multi-Mirror Mission (XMM-Newton). År 2006 upptäckte dessa satelliter en kraftig flare av röntgenstrålar, men de kunde inte avgöra om det härstammar från insidan eller utsidan av vår galax. Forskare tillskrev det till en stjärna som slets isär efter att ha kommit för nära ett gravitationskraftigt kompakt föremål, som ett svart hål.
Förvånande, röntgenkällan, heter 3XMM J215022.4?055108, var inte belägen i en galax centrum, där massiva svarta hål normalt skulle finnas. Detta väckte hopp om att en IMBH var boven, men först måste en annan möjlig källa till röntgenstrålningen uteslutas:en neutronstjärna i vår egen Vintergatans galax, kyls av efter att ha värmts upp till en mycket hög temperatur. Neutronstjärnor är de krossade resterna av en exploderad stjärna.
Hubble riktades mot röntgenkällan för att fastställa dess exakta plats. Djup, Högupplöst bildbehandling ger starka bevis för att röntgenstrålningen inte kom från en isolerad källa i vår galax, men istället på långt håll, tät stjärnhop i utkanten av en annan galax – precis den typ av plats astronomer förväntade sig att hitta en IMBH. Tidigare Hubble-forskning har visat att massan av ett svart hål i mitten av en galax är proportionell mot den värdgalaxens centrala utbuktning. Med andra ord, ju mer massiv galaxen, desto mer massivt är det svarta hålet. Därför, stjärnhopen som är hem för 3XMM J215022.4?055108 kan vara den avskalade kärnan av en dvärggalax med lägre massa som har störts gravitationellt och tidvatten av dess nära interaktion med sin nuvarande större galaxvärd.
Denna bild av Hubble Space Telescope identifierade platsen för ett svart hål med medelmassa, väger 50, 000 gånger vår sols massa (gör den mycket mindre än supermassiva svarta hål som finns i galaxernas centrum). Svarta hålet, heter 3XMM J215022.4?055108, indikeras av den vita cirkeln. Den svårfångade typen av svart hål identifierades först i en skur av kontrollanta röntgenstrålar som sänds ut av het gas från en stjärna när den fångades in och förstördes av det svarta hålet. Hubble behövdes för att lokalisera det svarta hålet i synligt ljus. Hubble är djup, Högupplöst bildtagning visar att det svarta hålet finns inuti en tät stjärnhop som är långt bortom vår galax Vintergatan. Stjärnhopen är i närheten av galaxen i mitten av bilden. Mycket mindre bakgrundsgalaxer verkar strödda runt bilden, inklusive en spiral precis ovanför den centrala förgrundsgalaxen. Det här fotot togs med Hubbles avancerade kamera för undersökningar. Kredit:NASA, ESA och D. Lin (University of New Hampshire)
IMBH har varit särskilt svåra att hitta eftersom de är mindre och mindre aktiva än supermassiva svarta hål; de har inte lättillgängliga bränslekällor, inte heller en lika stark gravitationsdragning för att rita stjärnor och annat kosmiskt material som skulle producera avslöjade röntgenljus. Astronomer måste i princip fånga en IMBH på bar gärning när de slukar en stjärna. Lin och hans kollegor kammade igenom XMM-Newtons dataarkiv, söker hundratusentals observationer för att hitta en IMBH-kandidat.
The X-ray glow from the shredded star allowed astronomers to estimate the black hole's mass of 50, 000 solar masses. The mass of the IMBH was estimated based on both X-ray luminosity and the spectral shape. "This is much more reliable than using X-ray luminosity alone as typically done before for previous IMBH candidates, " said Lin. "The reason why we can use the spectral fits to estimate the IMBH mass for our object is that its spectral evolution showed that it has been in the thermal spectral state, a state commonly seen and well understood in accreting stellar-mass black holes."
This artist's impression depicts a star being torn apart by an intermediate-mass black hole (IMBH), surrounded by an accretion disc. This thin, rotating disc of material consists of the leftovers of a star which was ripped apart by the tidal forces of the black hole. Kredit:ESA/Hubble, M. Kornmesser
This object isn't the first to be considered a likely candidate for an intermediate-mass black hole. In 2009 Hubble teamed up with NASA's Swift observatory and ESA's XMM-Newton to identify what is interpreted as an IMBH, called HLX-1, located towards the edge of the galaxy ESO 243-49. It too is in the center of a young, massive cluster of blue stars that may be a stripped-down dwarf galaxy core. The X-rays come from a hot accretion disk around the black hole. "The main difference is that our object is tearing a star apart, providing strong evidence that it is a massive black hole, instead of a stellar-mass black hole as people often worry about for previous candidates including HLX-1, " Lin said.
Finding this IMBH opens the door to the possibility of many more lurking undetected in the dark, waiting to be given away by a star passing too close. Lin plans to continue his meticulous detective work, using the methods his team has proved successful. Many questions remain to be answered. Does a supermassive black hole grow from an IMBH? How do IMBHs themselves form? Are dense star clusters their favored home?
