Астрономите може да са открили „тъмна“ топлина

Ако смъртта на големите звезди остави след себе си черни дупки, както смятат астрономите, би трябвало да има стотици милиони от тях, разпръснати из Млечния път. Проблемът е, че изолираните черни дупки не се виждат.

Сега, екип, ръководен от Калифорнийския университет в Бъркли, астрономите откриха за първи път какво може да бъде свободно плаваща черна дупка, като наблюдават яркостта на далечна звезда, тъй като нейната светлина е изкривена от силното гравитационно поле на обекта – следователно – наречена микрогравитация.

Екипът се ръководи от аспирант Кейси Лам и Джесика ЛоуДоцент по астрономия в Калифорнийския университет в Бъркли изчислява, че масата на невидимия компактен обект е между 1,6 и 4,4 пъти масата на Слънцето. Тъй като астрономите смятат, че остатъците от мъртва звезда трябва да са по-тежки от 2,2 слънчеви маси, за да се срутят в черна дупка, изследователите от UC Berkeley предупреждават, че обектът може да бъде неутронна звезда, а не черна дупка. Неутронните звезди също са много плътни и компактни обекти, но тяхната гравитация се балансира от вътрешното неутронно налягане, което предотвратява по-нататъшното срутване в черна дупка.

Независимо дали е черна дупка или неутронна звезда, обектът е първият тъмен звезден остатък – звезден „призрак“ – открит, скитащ из галактиката, несвързан с друга звезда.

„Това е първата плаваща черна дупка или неутронна звезда, открита от микрогравитационни лещи“, каза Лу. „Използвайки по-фината леща, можем да изследваме и претегляме тези изолирани, компресирани обекти. Мисля, че отворихме нов прозорец за тези тъмни обекти, които не могат да се видят по друг начин.“

Определянето на това колко от тези компактни обекти обитават Млечния път ще помогне на астрономите да разберат еволюцията на звездите – по-специално как те умират – и еволюцията на нашата галактика, вероятно ще разкрие дали някоя от невидимите черни дупки е първични черни дупки, които той смята Някои космолози смятат, че големи количества са били произведени по време на Големия взрив.

Анализът на Лам, Лу и техния международен екип е приет за публикуване в Astrophysical Journal Letters. Анализът включва четири други събития с микролещи, за които екипът заключи, че не са причинени от черна дупка, въпреки че две вероятно са причинени от бяло джудже или неутронна звезда. Екипът също така заключи, че вероятният брой черни дупки в галактиката е 200 милиона – приблизително това, което повечето теоретици очакваха.

Едни и същи данни, различни заключения

По-специално, конкурентен екип от Научния институт за космически телескопи (STScI) в Балтимор анализира същото събитие с микролещиране и твърди, че масата на компактния обект е по-близка до 7,1 слънчеви маси и безспорна черна дупка. Документ, описващ анализ от екипа на STScI, ръководен от Кайлаш Сахуе приета за публикуване в Астрофизичен вестник.

И двата екипа са използвали едни и същи данни: фотометрични измервания на яркостта на далечна звезда, тъй като нейната светлина е била изкривена или „отразена“ от силно компресирания обект, и астрономически измервания на променящата се позиция на далечната звезда в небето в резултат на гравитацията. изкривяване от обекта на обектива. Оптичните данни идват от две изследвания с микролещи: експериментът с оптични гравитационни лещи (OGLE), който използва 1,3-метров телескоп в Чили, управляван от Варшавския университет, и наблюденията на Microlens в астрофизика (MOA), който е монтиран на 1,8 -метров телескоп в Нова Зеландия, управляван от Варшавския университет, Осака. Астрономическите данни идват от космическия телескоп Хъбъл на НАСА. STScI управлява научната програма на телескопа и провежда неговите научни операции.

Тъй като и двете прецизни обективи за разузнаване са уловили един и същ обект, той има две имена: MOA-2011-BLG-191 и OGLE-2011-BLG-0462, или за краткост OB110462.

Докато проучвания като това откриват около 2000 ярки звезди чрез микролинзиране всяка година в Млечния път, именно добавянето на астрономически данни позволи на двата екипа да определят масата и разстоянието на компактния обект от Земята. Екипът, ръководен от Калифорнийския университет в Бъркли, изчисли, че се намира на разстояние между 2280 и 6260 светлинни години (700-1920 парсека), към центъра на Млечния път и близо до голямата издутина, която обгражда централната супермасивна черна галактика. дупка.

Клъстерът STScI се оценява на около 5 153 светлинни години (1 580 парсека) от нас.

Търся игла в купа сено

Лу и Лам за първи път се интересуват от тялото през 2020 г., след като екипът на STScI първоначално заключи, че Пет събития за микролещиране Наблюдаваните от Хъбъл – всички от които са продължили повече от 100 дни и следователно може да са черни дупки – вероятно изобщо не са причинени от компактни обекти.

Лу, която търси свободно плаващи черни дупки от 2008 г., смята, че данните ще й помогнат да оцени по-добре тяхното изобилие в галактиката, което приблизително се оценява на между 10 милиона и 1 милиард. Досега като част от двоични звездни системи са открити само черни дупки с размер на звезда. Черните дупки се виждат в двоични системи или в рентгенови лъчи, които се получават, когато материал от звезда падне върху черна дупка, или от съвременни детектори за гравитационни вълни, които са чувствителни към сливане на две или повече черни дупки. Но тези събития са редки.

„Кейси и аз гледахме данните и наистина се заинтересувахме. Казахме си: „Уау, няма черни дупки“, каза Лу. Това е невероятно, „въпреки че трябваше да е там.“ „И така, ние започнахме да разглеждаме данните. Ако наистина нямаше черни дупки в данните, това нямаше да съответства на нашия модел за това колко черни дупки трябва да бъдат в Млечния път. Нещо трябваше да се промени в разбирането за черни дупки – или техният брой, скорост или маса.

Когато Лам анализира фотометрията и астрометрията на петминутните събития на обектива, тя беше изненадана, че едното, OB110462, има характеристиките на компактно тяло: тялото на лещата изглеждаше тъмно и следователно не беше звезда; звездната яркост продължи дълго време, почти 300 дни; Изкривяването на позицията на фоновата звезда също беше дългосрочно.

Лам каза, че дължината на събитието за обектива е основният съвет. През 2020 г. той показа, че най-добрият начин за търсене на микролещи за черни дупки е да се търсят много дълги събития. Само 1% от минутните събития на обектива, които могат да бъдат открити, вероятно са от черни дупки, каза тя, така че гледането на всички събития би било като търсене на игла в купа сено. Но според Лам около 40% от събитията на микролещиране, продължаващи повече от 120 дни, вероятно са черни дупки.

„Колко дълго трае яркото събитие е намек за това колко масивна леща на преден план огъва светлината на фоновата звезда“, каза Лам. „По-дългите събития най-вероятно се дължат на черни дупки. Това не е гаранция, тъй като продължителността на яркия пръстен зависи не само от това колко масивна е лещата на предния план, но и от това колко бързо се движат лещата на преден план и фоновата звезда спрямо Въпреки това, като получим и измервания За видимото местоположение на фоновата звезда, можем да потвърдим дали обективът на преден план наистина е черна дупка.“

Според Лу гравитационният ефект на OB110462 върху светлината на фоновата звезда е изненадващо дълъг. Отне около година, докато звездата светне до своя пик през 2011 г., а след това около година, за да се върне към нормалното.

Повече данни ще разграничат черна дупка от неутронна звезда

За да потвърдят, че OB110462 е резултат от изключително компактен обект, Лоу и Лам поискаха още астрономически данни от Хъбъл, някои от които пристигнаха миналия октомври. Тези нови данни показват, че промяната в позицията на звездата поради гравитационното поле на лещата все още може да се наблюдава 10 години след събитието. Още наблюдения на Хъбъл на микролещиране са предварително планирани за есента на 2022 г.

Анализът на новите данни потвърди, че OB110462 най-вероятно е черна дупка или неутронна звезда.

Лоу и Лам подозират, че различните заключения на двата екипа се дължат на факта, че астрономическите и фотометричните данни дават различни мерки за относителните движения на предните и задните обекти. Астрологичният анализ също се различава между двата екипа. Екипът на UC Berkeley твърди, че все още не е възможно да се направи разлика дали обектът е черна дупка или неутронна звезда, но се надяват да разрешат несъответствието с повече данни на Хъбъл и подобрен анализ в бъдеще.

„Колкото и категорично да кажем, че това е черна дупка, трябва да докладваме за всички допустими решения,“ каза Лу. „Това включва както черни дупки с по-ниска маса, така и може би дори неутронна звезда.“

„Ако не можете да повярвате на кривата на светлината, на яркостта, това означава нещо важно. Ако не можете да повярвате на ситуацията спрямо времето, това ви казва нещо важно“, каза Лам. „Така че, ако един греши, трябва да разберем защо. Или другата възможност е това, което измерваме в двата набора от данни, е правилно, но нашият модел е неправилен. Фотометричните и астрометричните данни произлизат от един и същ физически процес, който означава, че яркостта и позицията трябва да са последователни. Помежду си. Значи нещо липсва там.“

И двете групи оцениха и скоростта на ултрафиното тяло на лещата. Екипът на Lu/Lam установи относително умерена скорост, по-малко от 30 километра в секунда. Екипът на STScI откри необичайно висока скорост, 45 km/s, която те интерпретираха като резултат от допълнителен удар, който така наречената черна дупка получи от свръхновата, която генерира.

Лоу тълкува оценката за ниска скорост на нейния екип като възможна подкрепа за нова теория, че черните дупки не са резултат от свръхнови – преобладаващото предположение днес – а вместо това идват от неуспешни супернови, които не правят ярка пръска във Вселената или дават резултат черна дупка удар.

Работата на Лу и Лам е подкрепена от Националната научна фондация (1909641) и Националната администрация по аеронавтика и космос (NNG16PJ26C, NASA FINNESS 80NSSC21K2043).