Forskare förväntade sig att hitta ett svart hål med medelstor massa i hjärtat av klothopen NGC 6397, men istället hittade de bevis på en koncentration av mindre svarta hål som lurar där. Nya data från NASA/ESA rymdteleskop Hubble har lett till den första mätningen av omfattningen av en samling svarta hål i en kärnkollapsad klothop. Detta är ett konstnärsintryck skapat för att visualisera koncentrationen av svarta hål i mitten av NGC 6397. I verkligheten, de små svarta hålen här är alldeles för små för den direkta observationskapaciteten hos alla befintliga eller planerade framtida teleskop, inklusive Hubble. Det förutspås att detta kärnkollapsade klotkluster kan vara värd för mer än 20 svarta hål. Kredit:ESA/Hubble, N. Bartmann
Globulära hopar är extremt täta stjärnsystem, där stjärnor är tätt packade. De är också vanligtvis mycket gamla - det klotformade klustret som är i fokus för denna studie, NGC 6397, är nästan lika gammal som universum självt. Den bor 7800 ljusår bort, vilket gör det till ett av de närmaste klothoparna till jorden. På grund av dess mycket täta kärna, det är känt som ett kärnkollapserat kluster.
När Eduardo Vitral och Gary A. Mamon från Institut d'Astrophysique de Paris gav sig iväg för att studera kärnan av NGC 6397, de förväntade sig att hitta bevis för ett "mellanmassa" svart hål (IMBH). Dessa är mindre än de supermassiva svarta hålen som ligger i kärnorna i stora galaxer, men större än de svarta hålen av stjärnmassan som bildas genom kollapsen av massiva stjärnor. IMBH är den länge eftersökta felande länken i svarta håls evolution och deras blotta existens diskuteras hett, även om några kandidater har hittats.
För att leta efter IMBH, Vitral och Mamon analyserade positionerna och hastigheterna för klustrets stjärnor. De gjorde detta med hjälp av tidigare uppskattningar av stjärnornas egentliga rörelser från Hubble-bilder av klustret som sträckte sig över flera år, förutom korrekta rörelser från ESA:s Gaia rymdobservatorium, som exakt mäter positionerna, stjärnornas avstånd och rörelser. Att veta avståndet till klustret gjorde det möjligt för astronomerna att översätta dessa stjärnors korrekta rörelser till hastigheter.
"Vår analys visade att stjärnornas banor är nästan slumpmässiga i hela klothopen, snarare än systematiskt cirkulär eller mycket långsträckt, " förklarade Mamon.
Bilden av NGC 6397 är sammansatt av en serie observationer tagna från juli 2004 till juni 2005 med Hubbles Advanced Camera for Surveys. Forskargruppen använde Hubbles Wide Field Camera 3 för att mäta avståndet till klustret. Kredit:NASA, ESA, och T. Brown och S. Casertano (STScI). Erkännande:NASA, ESA, och J. Anderson (STScI)
"Vi hittade mycket starka bevis för osynlig massa i de täta centrala delarna av klustret, men vi blev förvånade över att finna att denna extra massa inte är punktliknande utan sträcker sig till några procent av storleken på klustret, " tillade Vitral.
Denna osynliga komponent kunde bara bestå av resterna (vita dvärgar, neutronstjärnor, och svarta hål) av massiva stjärnor vars inre regioner kollapsade under sin egen gravitation när deras kärnbränsle var slut. Stjärnorna sjönk gradvis till klustrets centrum efter gravitationsinteraktioner med närliggande mindre massiva stjärnor, vilket leder till den lilla omfattningen av den osynliga masskoncentrationen. Med hjälp av teorin om stjärnutveckling, forskarna drog slutsatsen att huvuddelen av den osynliga koncentrationen är gjord av svarta hål av stjärnmassa, snarare än vita dvärgar eller neutronstjärnor som är för svaga för att kunna observeras.
Två nyare studier hade också föreslagit att stjärnrester och i synnerhet, svarta hål av stjärnmassa, skulle kunna befolka de inre regionerna av klothopar.
"Vår studie är det första fyndet som ger både massan och omfattningen av vad som verkar vara en samling av mestadels svarta hål i en kärnkollapsad klotformig klunga, sa Vitral.
"Vår analys skulle inte ha varit möjlig utan att ha både Hubble-data för att begränsa de inre regionerna av klustret och Gaia-data för att begränsa omloppsformerna för de yttre stjärnorna, som i sin tur indirekt begränsar hastigheterna för förgrunds- och bakgrundsstjärnor i de inre områdena, " tillade Mamon, vittnar om ett föredömligt internationellt samarbete.
Astronomerna noterar också att denna upptäckt väcker frågan om sammanslagningar av dessa tätt packade svarta hål i kärnkollapsade klotkluster kan vara en viktig källa till gravitationsvågor som nyligen upptäckts av experimentet Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).
