Astronomen haben möglicherweise eine „dunkle“ Hitze entdeckt

Wenn der Tod großer Sterne schwarze Löcher hinterlässt, wie Astronomen glauben, müssten Hunderte Millionen von ihnen über die Milchstraße verstreut sein. Das Problem ist, dass isolierte schwarze Löcher nicht sichtbar sind.

Jetzt hat ein Team unter der Leitung der University of California, Berkeley, zum ersten Mal entdeckt, was ein freischwebendes Schwarzes Loch sein könnte, indem sie die Helligkeit eines entfernten Sterns beobachteten, während sein Licht durch das starke Gravitationsfeld eines Objekts verzerrt wird – also – Mikrogravitation genannt.

Das Team wird von der Doktorandin Casey Lam und geleitet Jessica NiedrigEin außerordentlicher Professor für Astronomie an der University of California, Berkeley, schätzt, dass die Masse des unsichtbaren kompakten Objekts zwischen dem 1,6- und 4,4-fachen der Masse der Sonne liegt. Da Astronomen glauben, dass die Überreste eines toten Sterns schwerer als 2,2 Sonnenmassen sein müssen, um in ein Schwarzes Loch zu kollabieren, warnen Forscher der UC Berkeley, dass das Objekt eher ein Neutronenstern als ein Schwarzes Loch sein könnte. Neutronensterne sind ebenfalls sehr dichte und kompakte Objekte, aber ihre Schwerkraft wird durch den inneren Neutronendruck ausgeglichen, der einen weiteren Kollaps zu einem Schwarzen Loch verhindert.

Egal, ob es sich um ein Schwarzes Loch oder einen Neutronenstern handelt, das Objekt ist der erste dunkle Überrest eines Sterns – ein stellarer „Geist“, der entdeckt wurde, als er ohne Verbindung zu einem anderen Stern durch die Galaxie wanderte.

„Dies ist das erste schwimmende Schwarze Loch oder der erste Neutronenstern, der von Mikrogravitationslinsen entdeckt wurde“, sagte Lu. „Durch die Verwendung der feineren Linse können wir diese isolierten, komprimierten Objekte untersuchen und wiegen. Ich denke, wir haben ein neues Fenster zu diesen dunklen Objekten geöffnet, die auf andere Weise nicht gesehen werden können.“

Die Bestimmung, wie viele dieser kompakten Objekte die Milchstraße bewohnen, wird Astronomen dabei helfen, die Entwicklung von Sternen – insbesondere, wie sie sterben – und die Entwicklung unserer Galaxie zu verstehen, und möglicherweise enthüllen, ob es sich bei einem der unsichtbaren Schwarzen Löcher um ursprüngliche Schwarze Löcher handelt, was er Einige Kosmologen glauben, dass während des Urknalls große Mengen produziert wurden.

Die Analyse von Lam, Lu und ihrem internationalen Team wurde zur Veröffentlichung angenommen in Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe. Die Analyse umfasst vier weitere Mikrolinsenereignisse, von denen das Team zu dem Schluss kam, dass sie nicht von einem Schwarzen Loch verursacht wurden, obwohl zwei wahrscheinlich von einem Weißen Zwerg oder einem Neutronenstern verursacht werden. Das Team kam auch zu dem Schluss, dass die wahrscheinliche Anzahl von Schwarzen Löchern in der Galaxie 200 Millionen beträgt – ungefähr das, was die meisten Theoretiker erwartet hatten.

Gleiche Daten, unterschiedliche Schlussfolgerungen

Bemerkenswerterweise analysierte ein konkurrierendes Team des Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore dasselbe Mikrolinsenereignis und behauptete, dass die Masse des kompakten Objekts näher an 7,1 Sonnenmassen und einem unbestrittenen Schwarzen Loch liegt. Papier, das die Analyse des STScI-Teams unter der Leitung von beschreibt Kailash Sahuwurde zur Veröffentlichung angenommen in Astrophysikalische Zeitschrift.

Beide Teams verwendeten die gleichen Daten: photometrische Messungen der Helligkeit eines entfernten Sterns, da sein Licht von dem stark komprimierten Objekt verzerrt oder „reflektiert“ wurde, und astronomische Messungen der sich aufgrund der Schwerkraft ändernden Position des entfernten Sterns am Himmel. Verzerrung durch das Linsenobjekt. Die optischen Daten stammen aus zwei Mikrolinsen-Durchmusterungen: dem Optical Gravitational Lens Experiment (OGLE), das ein 1,3-Meter-Teleskop in Chile verwendet, das von der Universität Warschau betrieben wird, und den Microlens Observations in Astrophysics (MOA), das auf einem 1,8-Meter-Teleskop montiert ist -Meter-Teleskop in Neuseeland, betrieben von der Universität Warschau, Universität Osaka. Astronomische Daten stammen vom Hubble-Weltraumteleskop der NASA. STScI verwaltet das wissenschaftliche Programm des Teleskops und führt seine wissenschaftlichen Operationen durch.

Da beide Präzisionslinsenaufklärer dasselbe Objekt erfassten, hat es zwei Namen: MOA-2011-BLG-191 und OGLE-2011-BLG-0462, kurz OB110462.

Während Durchmusterungen wie diese jedes Jahr etwa 2.000 helle Sterne durch Mikrolinsen in der Milchstraße entdecken, war es die Hinzufügung astronomischer Daten, die es den beiden Teams ermöglichte, die Masse und Entfernung des kompakten Objekts von der Erde zu bestimmen. Das von der University of California, Berkeley, geleitete Team schätzte, dass es sich zwischen 2.280 und 6.260 Lichtjahren entfernt (700-1920 Parsec) befindet, in Richtung des Zentrums der Milchstraße und in der Nähe der großen Ausbuchtung, die das zentrale supermassereiche Schwarz der Galaxie umgibt Loch.

Der STScI-Cluster wurde auf etwa 5.153 Lichtjahre (1.580 Parsec) entfernt geschätzt.

Ich suche eine Nadel im Heuhaufen

Lou und Lam interessierten sich erstmals 2020 für den Körper, nachdem das STScI-Team dies zunächst festgestellt hatte Fünf Mikrolinsen-Ereignisse Die von Hubble beobachteten – die alle mehr als 100 Tage bestehen und daher Schwarze Löcher sein könnten – werden wahrscheinlich überhaupt nicht von kompakten Objekten verursacht.

Lu, die seit 2008 nach frei beweglichen Schwarzen Löchern sucht, dachte, die Daten würden ihr helfen, ihre Häufigkeit in der Galaxie besser abzuschätzen, die grob auf zwischen 10 Millionen und 1 Milliarde geschätzt wurde. Bisher wurden schwarze Löcher in der Größe von Sternen nur als Teil von Doppelsternsystemen gefunden. Schwarze Löcher werden in Doppelsternen entweder in Röntgenstrahlen gesehen, die entstehen, wenn Materie von einem Stern auf ein Schwarzes Loch fällt, oder durch moderne Gravitationswellendetektoren, die empfindlich auf die Verschmelzung von zwei oder mehr Schwarzen Löchern reagieren. Aber diese Ereignisse sind selten.

„Casey und ich sahen uns die Daten an und waren wirklich interessiert. Wir sagten: ‚Wow, es gibt keine schwarzen Löcher’“, sagte Lu. Das sei erstaunlich, „obwohl es dort hätte sein sollen.“ „Und so fingen wir an, uns die Daten anzusehen. Wenn es wirklich keine schwarzen Löcher in den Daten gäbe, würde dies nicht zu unserem Modell passen, wie viele schwarze Löcher in der Milchstraße sein sollten. Etwas musste sich im Verständnis von ändern Schwarze Löcher – entweder ihre Anzahl, Geschwindigkeit oder Masse.“

Als Lahm die Photometrie und Astrometrie der fünfminütigen Linsenereignisse analysierte, war ich überrascht, dass eine, OB110462, die Eigenschaften eines kompakten Körpers hatte: Der Linsenkörper erschien dunkel und daher kein Stern; Die stellare Helligkeit hielt lange an, fast 300 Tage; Die Verzerrung der Position des Hintergrundsterns war ebenfalls langfristig.

Lamm sagte, die Länge des Linsenereignisses sei der Haupttipp. Im Jahr 2020 zeigte sich, dass die Suche nach Mikrolinsen von Schwarzen Löchern am besten darin besteht, nach sehr langen Ereignissen zu suchen. Nur 1 % der winzigen Linsenereignisse, die erkannt werden können, stammen wahrscheinlich von Schwarzen Löchern, so dass die Betrachtung aller Ereignisse wie die Suche nach einer Nadel im Heuhaufen wäre. Aber laut Lamm sind etwa 40 % der Mikrolinsen-Ereignisse, die länger als 120 Tage dauern, wahrscheinlich Schwarze Löcher.

„Wie lange das helle Ereignis dauert, ist ein Hinweis darauf, wie massiv die Vordergrundlinse das Licht des Hintergrundsterns beugt“, sagte Lamm. „Längere Ereignisse sind höchstwahrscheinlich auf Schwarze Löcher zurückzuführen. Dies ist keine Garantie, denn die Dauer des hellen Rings hängt nicht nur davon ab, wie massiv die Vordergrundlinse ist, sondern auch davon, wie schnell sich die Vordergrundlinse und der Hintergrundstern relativ dazu bewegen Indem wir jedoch auch Messungen für die scheinbare Position des Hintergrundsterns erhalten, können wir bestätigen, ob die Vordergrundlinse wirklich ein Schwarzes Loch ist.“

Laut Lu war die Gravitationswirkung von OB110462 auf das Licht des Hintergrundsterns überraschend lang. Es dauerte ungefähr ein Jahr, bis der Stern 2011 seinen Höhepunkt erreichte, und dann ungefähr ein Jahr, um wieder normal zu werden.

Mehr Daten werden ein Schwarzes Loch von einem Neutronenstern unterscheiden

Um zu bestätigen, dass OB110462 von einem extrem kompakten Objekt stammt, forderten Low und Lam weitere astronomische Daten von Hubble an, von denen einige letzten Oktober eintrafen. Diese neuen Daten zeigten, dass die Positionsänderung des Sterns aufgrund des Gravitationsfelds der Linse noch 10 Jahre nach dem Ereignis beobachtet werden konnte. Weitere Hubble-Beobachtungen von Mikrolinsen sind vorläufig für den Herbst 2022 geplant.

Die Analyse der neuen Daten bestätigte, dass OB110462 höchstwahrscheinlich ein Schwarzes Loch oder ein Neutronenstern war.

Low und Lam vermuten, dass die unterschiedlichen Schlussfolgerungen der beiden Teams darauf zurückzuführen sind, dass die astronomischen und photometrischen Daten unterschiedliche Maße für die relativen Bewegungen der vorderen und hinteren Objekte liefern. Die astrologische Analyse unterscheidet sich auch zwischen den beiden Teams. Das Team der UC Berkeley argumentiert, dass es noch nicht möglich sei, zu unterscheiden, ob es sich bei dem Objekt um ein Schwarzes Loch oder einen Neutronenstern handelt, aber sie hoffen, die Diskrepanz mit mehr Hubble-Daten und einer verbesserten Analyse in der Zukunft aufzulösen.

„So sehr wir definitiv sagen würden, dass es sich um ein Schwarzes Loch handelt, sollten wir alle zulässigen Lösungen melden“, sagte Lu. „Dazu gehören sowohl Schwarze Löcher mit geringerer Masse als auch vielleicht sogar ein Neutronenstern.“

„Wenn Sie die Kurve des Lichts, die Helligkeit, nicht glauben können, bedeutet das etwas Wichtiges. Wenn Sie die Situation im Vergleich zur Zeit nicht glauben können, sagt Ihnen das etwas Wichtiges“, sagte Lamm. „Wenn also einer von ihnen falsch ist, müssen wir verstehen, warum. Oder eine andere Möglichkeit ist, dass das, was wir in den beiden Datensätzen messen, richtig ist, aber unser Modell falsch ist. Die photometrischen und astrometrischen Daten stammen aus demselben physikalischen Prozess. Das bedeutet, dass Helligkeit und Position übereinstimmen müssen. Da fehlt also etwas.“

Beide Gruppen schätzten auch die Geschwindigkeit des ultrafeinen Linsenkörpers. Das Lu/Lam-Team fand eine relativ moderate Geschwindigkeit, weniger als 30 Kilometer pro Sekunde. Das STScI-Team fand eine ungewöhnlich hohe Geschwindigkeit von 45 km/s, die sie als Ergebnis eines zusätzlichen Kicks interpretierten, den das sogenannte Schwarze Loch von der von ihm erzeugten Supernova erhielt.

Low interpretiert die niedrige Geschwindigkeitsschätzung ihres Teams als mögliche Unterstützung für eine neue Theorie, dass Schwarze Löcher nicht das Ergebnis von Supernovae sind – die heute vorherrschende Annahme -, sondern von gescheiterten Supernovae stammen, die im Universum kein helles Plätschern verursachen oder das Ergebnis liefern Schwarzes Loch ein Tritt.

Die Arbeit von Lu und Lam wird von der National Science Foundation (1909641) und der National Aeronautics and Space Administration (NNG16PJ26C, NASA FINNESS 80NSSC21K2043) unterstützt.