År 1916 teoretiserade Karl Schwarzchild förekomsten av svarta hål som en lösning på Einsteins fältekvationer för hans teori om allmän relativitet. I mitten av 1900-talet började astronomer upptäcka svarta hål för första gången med indirekta metoder, som bestod i att observera deras effekter på omgivande föremål och rymden. Sedan 1980-talet har forskare studerat supermassiva svarta hål (SMBH), som finns i mitten av de mest massiva galaxerna i universum. Och i april 2019 släppte samarbetet Event Horizon Telescope (EHT) den första bilden som någonsin tagits av en SMBH.

Dessa observationer är ett tillfälle att testa fysikens lagar under de mest extrema förhållanden och ge insikter om krafterna som formade universum. Enligt en nyligen genomförd studie förlitade sig ett internationellt forskarlag på data från ESA:s Gaia-observatorium för att observera en solliknande stjärna med konstiga orbitala egenskaper. På grund av dess omloppsbana drog laget slutsatsen att det måste vara en del av ett binärt system med svarta hål. Detta gör det till det svarta hålet som ligger närmast vårt solsystem och antyder att det finns en ansenlig population av vilande svarta hål i vår galax.

Forskningen leddes av Kareem El-Badry, en Harvard Society Fellow-astrofysiker vid Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) och Max Planck Institute for Astronomy (MPIA). Han fick sällskap av forskare från CfA, MPIA, Caltech, UC Berkely, Flatiron Institutes Center for Computational Astrophysics (CCA), Weizmann Institute of Science, Observatoire de Paris, MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research och flera universitet. Uppsatsen som beskriver deras resultat kommer att publiceras i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .

Som El-Badry förklarade för Universe Today via e-post, var dessa observationer en del av en bredare kampanj för att identifiera vilande svarta håls följeslagare till normala stjärnor i Vintergatans galax. "Jag har letat efter vilande svarta hål under de senaste fyra åren med ett brett utbud av datauppsättningar och metoder," sa han. "Mina tidigare försök visade upp ett mångsidigt menageri av binärer som maskerar sig som svarta hål, men det här var första gången sökningen har burit frukt."

För denna studies skull förlitade sig El-Badry och hans kollegor på data som erhållits av Europeiska rymdorganisationens (ESA) Gaia-observatorium. Detta uppdrag har ägnat nästan ett decennium åt att mäta positioner, avstånd och egenrörelser för nästan 1 miljard astronomiska objekt, såsom stjärnor, planeter, kometer, asteroider och galaxer. Genom att spåra objekts rörelser när de kretsar runt Vintergatans centrum (en teknik som kallas astrometri), syftar Gaia-uppdraget till att konstruera den mest exakta 3D-rymdkatalogen som någonsin skapats.

För deras syften undersökte El-Badry och hans kollegor alla 168 065 stjärnor i Gaia Data Release 3 (GDR3) som verkade ha tvåkroppsbanor. Deras analys fann en särskilt lovande kandidat, en G-typ (gul stjärna) betecknad Gaia DR3 4373465352415301632 - för deras syften betecknade teamet den Gaia BH1. Baserat på dess observerade orbitala lösning bestämde El-Badry och hans kollegor att denna stjärna måste ha en binär följeslagare med svart hål. Sa El-Badry:

"Gaia-data begränsar hur stjärnan rör sig på himlen och spårar ut en ellips när den kretsar runt det svarta hålet. Storleken på omloppsbanan och dess period ger oss en begränsning på massan av dess osynliga följeslagare - cirka 10 solmassor. I För att bekräfta att Gaia-lösningen är korrekt och utesluta alternativ som inte är svarta hål, observerade vi stjärnan spektroskopiskt med flera andra teleskop. Detta skärpte våra begränsningar på följeslagarens massa och bevisade att det verkligen är 'mörkt'."

För att bekräfta sina observationer analyserade teamet radiella hastighetsmätningar av Gaia BH1 från flera teleskop. Detta inkluderade W. M. Keck-observatoriets högupplösta Echelle-spektrometer (HIRES), MPG/ESO-teleskopets fibermatade FEROS-spektrograf (Extended Range Optical Spectrograph), Very Large Telescopes (VLT) X-Shooter-spektrograf, Gemini Multi-Object Spectrographs (GMOS), Magellan Echellette (MagE) spektrograf och Large Sky Area Multi-Object Fibre Spectroscopic Telescope (LAMOST).

I likhet med metoden som används för att jaga exoplaneter (Doppler-spektroskopi), gjorde de spektra som dessa instrument gav teamet att observera och mäta gravitationskrafterna som påverkar dess omloppsbana. Dessa uppföljningsobservationer bekräftade Gaia BH1:s orbitala lösning och att en följeslagare på ungefär tio solmassor samcirkulerade med den. Som El-Badry indikerade kan dessa fynd utgöra det första svarta hålet i Vintergatan som inte observerades baserat på dess röntgenstrålning eller andra energiutsläpp:

"Modeller förutspår att Vintergatan innehåller cirka 100 miljoner svarta hål. Men vi har bara observerat cirka 20 av dem. Alla de tidigare vi har observerat är i "röntgenbinärer":det svarta hålet äter upp en sällskapsstjärna , och det lyser starkt i röntgenstrålar när det materialets gravitationella potentiella energi omvandlas till ljus. Men dessa representerar bara toppen av isberget:en mycket större befolkning kan lurar, gömd i mer vitt åtskilda binärer. Upptäckten av Gaia BH1 lyser tidigt ljus över denna population."

Om de bekräftas kan dessa fynd betyda att det finns en robust population av vilande svarta hål i Vintergatan. Detta syftar på svarta hål som inte är uppenbara från ljusa skivor, strålningsskurar eller hyperhastighetsstrålar som emanerar från deras poler (som ofta är fallet med kvasarer). Om dessa objekt är allestädes närvarande i vår galax, kan konsekvenserna för stjärn- och galaktisk evolution vara djupgående. Det är dock möjligt att just detta vilande svarta hål är en extremvärde och inte indikerar en större population.

För att verifiera sina fynd ser El-Badry och hans kollegor fram emot Gaia Data Release 4 (DDR 4), vars datum ännu inte har fastställts, som kommer att inkludera all data som samlats in under det femåriga nominella uppdraget (DDR 4) ). Den här utgåvan kommer att innehålla de mest uppdaterade astrometriska, fotometriska och radiella hastighetskatalogerna för alla observerade stjärnor, binärer, galaxer och exoplaneter. Den femte och sista versionen (DDR 5) kommer att innehålla data från det nominella och utökade uppdraget (hela tio åren).

"Baserat på förekomstfrekvensen av BH-kompanjoner som Gaia BH1 antyder, uppskattade vi att nästa Gaia-datarelease kommer att möjliggöra upptäckten av dussintals liknande system", säger El-Badry. "Med bara ett objekt är det svårt att veta exakt vad det innebär om befolkningen (det kan bara vara en udda kula, en slump). Vi är glada över de befolkningsdemografiska studier vi kommer att kunna göra med större urval." + Utforska vidare

"Svarthålspolis" upptäcker ett slumrande svart hål utanför Vintergatans galax