Om, som astronomer tror, ​​stora stjärnors död lämnar efter sig svarta hål, borde det finnas hundratals miljoner av dem utspridda över Vintergatans galax. Problemet är att isolerade svarta hål är osynliga.

Nu har ett team ledd av University of California, Berkeley, astronomer för första gången upptäckt vad som kan vara ett fritt svävande svart hål genom att observera ljusningen av en mer avlägsen stjärna när dess ljus förvrängdes av objektets starka gravitationsfält – så -kallad gravitationell mikrolinsning.

Teamet, som leds av doktoranden Casey Lam och Jessica Lu, en UC Berkeley docent i astronomi, uppskattar att massan på det osynliga kompakta föremålet är mellan 1,6 och 4,4 gånger solens. Eftersom astronomer tror att resterna av en död stjärna måste vara tyngre än 2,2 solmassor för att kollapsa till ett svart hål, varnar forskarna från UC Berkeley för att objektet kan vara en neutronstjärna istället för ett svart hål. Neutronstjärnor är också täta, mycket kompakta objekt, men deras gravitation balanseras av inre neutrontryck, vilket förhindrar ytterligare kollaps till ett svart hål.

Oavsett om det är ett svart hål eller en neutronstjärna, är objektet den första mörka stjärnresten – ett stjärnspöke – som upptäcktes vandrade genom galaxen oparad med en annan stjärna.

"Detta är den första fritt svävande svarta hålet eller neutronstjärnan som upptäckts med gravitationell mikrolinsning," sa Lu. "Med mikrolinsning kan vi undersöka dessa ensamma, kompakta föremål och väga dem. Jag tror att vi har öppnat ett nytt fönster mot dessa mörka föremål, som inte kan ses på något annat sätt."

Att avgöra hur många av dessa kompakta objekt som befolkar Vintergatans galax kommer att hjälpa astronomerna att förstå utvecklingen av stjärnor – i synnerhet hur de dör – och av vår galax, och kanske avslöja om något av de osynliga svarta hålen är ursprungliga svarta hål, vilket vissa kosmologer tror producerades i stora mängder under Big Bang.

Analysen av Lam, Lu och deras internationella team har godkänts för publicering i The Astrophysical Journal Letters. Analysen inkluderar fyra andra mikrolinsningshändelser som teamet kom fram till inte orsakades av ett svart hål, även om två troligen orsakades av en vit dvärg eller en neutronstjärna. Teamet drog också slutsatsen att den sannolika populationen av svarta hål i galaxen är 200 miljoner – ungefär vad de flesta teoretiker förutspådde.

Samma data, olika slutsatser

Noterbart är att ett konkurrerande team från Space Telescope Science Institute (STScI) i Baltimore analyserade samma mikrolinsningshändelse och hävdar att massan av det kompakta föremålet är närmare 7,1 solmassor och obestridligen ett svart hål. En artikel som beskriver analysen av STScI-teamet, ledd av Kailash Sahu, har godkänts för publicering i The Astrophysical Journal .

Båda teamen använde samma data:fotometriska mätningar av den avlägsna stjärnans ljusning när dess ljus förvrängdes eller "linsades" av det superkompakta föremålet, och astrometriska mätningar av förskjutningen av den avlägsna stjärnans läge på himlen som ett resultat av gravitationen förvrängning av objektivobjektet. Fotometriska data kom från två mikrolinsundersökningar:Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE), som använder ett 1,3-meters teleskop i Chile som drivs av Warszawas universitet, och Microlensing Observations in Astrophysics (MOA)-experimentet, som är monterat på ett 1,8- meter teleskop i Nya Zeeland som drivs av Osaka University. De astrometriska uppgifterna kom från NASA:s rymdteleskop Hubble. STScI sköter vetenskapsprogrammet för teleskopet och bedriver dess vetenskapsverksamhet.

Eftersom båda mikrolinsundersökningarna fångade samma objekt har det två namn:MOA-2011-BLG-191 och OGLE-2011-BLG-0462, eller OB110462, för kort.

Medan undersökningar som dessa upptäcker omkring 2 000 stjärnor som ljusnas upp av mikrolinsning varje år i Vintergatans galax, är tillägget av astrometriska data det som gjorde det möjligt för de två teamen att bestämma massan av det kompakta objektet och dess avstånd från jorden. Det UC Berkeley-ledda teamet uppskattade att det ligger mellan 2 280 och 6 260 ljusår (700-1920 parsecs) bort, i riktning mot mitten av Vintergatans galax och nära den stora utbuktningen som omger galaxens centrala massiva svarta hål.

STScI-gruppen uppskattade att den ligger cirka 5 153 ljusår (1 580 parsecs) bort.

Letar efter en nål i en höstack

Lu och Lam blev först intresserade av objektet 2020 efter att STScI-teamet preliminärt drog slutsatsen att fem mikrolinsningshändelser observerade av Hubble - som alla varade i mer än 100 dagar och därmed kunde ha varit svarta hål - kanske inte orsakades av kompakta objekt trots allt.

Lu, som har letat efter fritt flytande svarta hål sedan 2008, trodde att uppgifterna skulle hjälpa henne att bättre uppskatta deras överflöd i galaxen, som grovt uppskattats till mellan 10 miljoner och 1 miljard. Hittills har svarta hål i stjärnstorlek endast hittats som en del av binära stjärnsystem. Svarta hål i binärer ses antingen i röntgenstrålar, som produceras när material från stjärnan faller på det svarta hålet, eller av nya gravitationsvågsdetektorer, som är känsliga för sammanslagningar av två eller flera svarta hål. Men dessa händelser är sällsynta.

"Casey och jag såg uppgifterna och vi blev verkligen intresserade. Vi sa," Wow, inga svarta hål. Det är fantastiskt, även om det borde ha varit det," sa Lu. "Och så började vi titta på datan. Om det verkligen inte fanns några svarta hål i datan, så skulle detta inte matcha vår modell för hur många svarta hål det borde finnas i Vintergatan. Något skulle behöva förändras i vår förståelse för svarta hål – antingen deras antal eller hur snabbt de rör sig eller deras massor."

När Lam analyserade fotometri och astrometri för de fem mikrolinsningshändelserna, blev hon förvånad över att en, OB110462, hade egenskaperna hos ett kompakt objekt:Linsobjektet verkade mörkt, och alltså inte en stjärna; stjärnans ljusning varade länge, nästan 300 dagar; och förvrängningen av bakgrundsstjärnans position var också långvarig.

Längden på linsningshändelsen var det viktigaste tipset, sa Lam. 2020 visade hon att det bästa sättet att söka efter svarta håls mikrolinser var att leta efter mycket långa händelser. Endast 1% av detekterbara mikrolinsningshändelserna kommer sannolikt från svarta hål, sa hon, så att titta på alla händelser skulle vara som att söka efter en nål i en höstack. Men, beräknade Lam, är ungefär 40 % av mikrolinsningshändelserna som varar mer än 120 dagar sannolikt svarta hål.

"Hur länge den ljusare händelsen varar är en antydan om hur massiv förgrundslinsen som böjer ljuset från bakgrundsstjärnan är," sa Lam. "Långa händelser är mer sannolikt på grund av svarta hål. Det är dock ingen garanti, eftersom varaktigheten av ljusningsepisoden inte bara beror på hur massiv förgrundslinsen är, utan också på hur snabbt förgrundslinsen och bakgrundsstjärnan rör sig relativt Men genom att också få mätningar av bakgrundsstjärnans skenbara position kan vi bekräfta om förgrundslinsen verkligen är ett svart hål."

Enligt Lu var gravitationspåverkan från OB110462 på ljuset från bakgrundsstjärnan otroligt lång. Det tog ungefär ett år för stjärnan att ljusna till sin topp 2011, sedan ungefär ett år att dämpa tillbaka till det normala.

Mer data kommer att skilja svart hål från neutronstjärna

För att bekräfta att OB110462 orsakades av ett superkompakt föremål bad Lu och Lam om mer astrometrisk data från Hubble, av vilka några anlände i oktober förra året. Dessa nya data visade att förändringen i stjärnans position som ett resultat av linsens gravitationsfält fortfarande är observerbar 10 år efter händelsen. Ytterligare Hubble-observationer av mikrolinsen är preliminärt planerade till hösten 2022.

Analys av nya data bekräftade att OB110462 sannolikt var ett svart hål eller neutronstjärna.

Lu och Lam misstänker att de två teamens olika slutsatser beror på att de astrometriska och fotometriska data ger olika mått på de relativa rörelserna för förgrunds- och bakgrundsobjekten. Den astrometriska analysen skiljer sig också mellan de två teamen. Det UC Berkeley-ledda teamet hävdar att det ännu inte är möjligt att särskilja om objektet är ett svart hål eller en neutronstjärna, men de hoppas kunna lösa avvikelsen med mer Hubble-data och förbättrad analys i framtiden.

"Så mycket som vi skulle vilja säga att det definitivt är ett svart hål, måste vi rapportera alla tillåtna lösningar. Detta inkluderar både svarta hål med lägre massa och möjligen även en neutronstjärna," sa Lu.

"Om du inte kan tro ljuskurvan, ljusstyrkan, så säger det något viktigt. Om du inte tror på positionen kontra tid, säger det dig något viktigt," sa Lam. "Så, om en av dem har fel, måste vi förstå varför. Eller den andra möjligheten är att det vi mäter i båda datamängderna är korrekt, men vår modell är felaktig. Fotometri- och astrometridata härrör från samma fysiska process, vilket betyder att ljusstyrkan och positionen måste överensstämma med varandra. Så det är något som saknas där."

Båda teamen uppskattade också hastigheten för det superkompakta linsobjektet. Lu/Lam-teamet fann en relativt lugn hastighet, mindre än 30 kilometer per sekund. STScI-teamet hittade en ovanligt hög hastighet, 45 km/s, som det tolkade som ett resultat av en extra spark som det påstådda svarta hålet fick från supernovan som genererade det.

Lu tolkar hennes teams låghastighetsuppskattning som potentiellt stöd för en ny teori om att svarta hål inte är resultatet av supernovor – det rådande antagandet idag – utan istället kommer från misslyckade supernovor som inte gör ett ljust stänk i universum eller ger det resulterande svarta hål en spark. + Utforska vidare

Första fritt svävande svarta hålet någonsin hittat strövande genom det interstellära rymden