Astronomowie korzystający z Międzynarodowego Obserwatorium Gemini, obsługiwanego przez NOIRLab z NSF, odkryli najbliższą Ziemi czarną dziurę. Jest to pierwsze jednoznaczne wykrycie uśpionej czarnej dziury o masie gwiazdowej w Drodze Mlecznej. Jego bliskość do Ziemi, zaledwie 1600 lat świetlnych od nas, stanowi intrygujący cel badań, aby pogłębić naszą wiedzę na temat ewolucji układów podwójnych.
Czarne dziury to najbardziej ekstremalne obiekty we Wszechświecie. Supermasywne wersje tych niewyobrażalnie gęstych obiektów prawdopodobnie znajdują się w centrach wszystkich dużych galaktyk. Czarne dziury o masie gwiazdowej – które ważą w przybliżeniu od pięciu do stu razy więcej niż masa Słońca – są znacznie częstsze, z szacowanymi 100 milionami w samej Drodze Mlecznej. Jednak tylko garstka została potwierdzona do tej pory, a prawie wszystkie z nich są „aktywne” – co oznacza, że świecą jasno w promieniach X, gdy pochłaniają materię z pobliskiego gwiezdnego towarzysza, w przeciwieństwie do uśpionych czarnych dziur, które tego nie robią.
Astronomowie korzystający z teleskopu Gemini North na Hawajach, jednego z bliźniaczych teleskopów International Gemini Observatory, obsługiwanego przez NOIRLab NSF, odkryli najbliższą Ziemi czarną dziurę, którą naukowcy nazwali Gaia BH1. Ta uśpiona czarna dziura jest około 10 razy masywniejsza niż Słońce i znajduje się około 1600 lat świetlnych od nas w gwiazdozbiorze Wężownika, co czyni ją trzy razy bliżej Ziemi niż poprzedni rekordzista, binarny rentgenowski w gwiazdozbiorze Jednorożca. . Nowe odkrycie było możliwe dzięki znakomitym obserwacjom ruchu towarzysza czarnej dziury, gwiazdy podobnej do Słońca, która krąży wokół czarnej dziury mniej więcej w tej samej odległości, co Ziemia krążąca wokół Słońca.
„Weź Układ Słoneczny, umieść czarną dziurę w miejscu Słońca i Słońce w miejscu Ziemi, a otrzymasz ten system” – wyjaśnił Kareem El-Badry, astrofizyk z Centrum Astrofizyki | Harvard & Smithsonian i Max Planck Institute for Astronomy oraz główny autor artykułu opisującego to odkrycie. „Chociaż było wiele rzekomych odkryć takich układów, prawie wszystkie te odkrycia zostały następnie obalone. Jest to pierwsze jednoznaczne wykrycie gwiazdy podobnej do Słońca na szerokiej orbicie wokół czarnej dziury o masie gwiazdowej w naszej Galaktyce”.
Chociaż w Drodze Mlecznej przemierzają prawdopodobnie miliony czarnych dziur o masach gwiazdowych, te nieliczne, które zostały wykryte, zostały odkryte przez ich energetyczne interakcje z towarzyszącą im gwiazdą. Gdy materia z pobliskiej gwiazdy wiruje w kierunku czarnej dziury, ulega przegrzaniu i generuje silne promienie rentgenowskie oraz dżety materii. Jeśli czarna dziura nie żywi się aktywnie (tj. jest uśpiona), po prostu wtapia się w otoczenie.
„Przez ostatnie cztery lata szukałem uśpionych czarnych dziur, korzystając z szerokiej gamy zbiorów danych i metod” – powiedział El-Badry. „Moje poprzednie próby – jak również inne – doprowadziły do powstania menażerii układów podwójnych podszywających się pod czarne dziury, ale po raz pierwszy poszukiwania przyniosły owoce”.
Zespół pierwotnie zidentyfikował system jako potencjalnie mieszczący czarną dziurę, analizując dane z sondy Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej. Gaia uchwyciła drobne nieprawidłowości w ruchu gwiazdy spowodowane grawitacją niewidocznego, masywnego obiektu. Aby bardziej szczegółowo zbadać układ, El-Badry i jego zespół zwrócili się do instrumentu Gemini Multi-Object Spectrograph na Gemini North, który zmierzył prędkość gwiazdy towarzyszącej podczas jej orbitowania wokół czarnej dziury i zapewnił dokładny pomiar jej okresu orbitalnego. Dalsze obserwacje Gemini miały kluczowe znaczenie dla ograniczenia ruchu orbitalnego, a tym samym mas dwóch składników w układzie podwójnym, umożliwiając zespołowi zidentyfikowanie centralnego ciała jako czarnej dziury około 10 razy masywniejszej niż nasze Słońce.
„Nasze dalsze obserwacje Gemini potwierdziły ponad wszelką wątpliwość, że układ podwójny zawiera normalną gwiazdę i co najmniej jedną uśpioną czarną dziurę” – wyjaśnił El-Badry. „Nie mogliśmy znaleźć żadnego wiarygodnego scenariusza astrofizycznego, który mógłby wyjaśnić obserwowaną orbitę systemu, która nie obejmuje przynajmniej jednej czarnej dziury”.
Zespół polegał nie tylko na doskonałych zdolnościach obserwacyjnych Gemini North, ale także na zdolności Gemini do dostarczania danych w napiętym terminie, ponieważ zespół miał tylko krótkie okno na przeprowadzenie dalszych obserwacji.
„Kiedy mieliśmy pierwsze oznaki, że system zawiera czarną dziurę, mieliśmy tylko tydzień, zanim oba obiekty znalazły się w najbliższej separacji na swoich orbitach. Pomiary w tym momencie są niezbędne do dokładnego oszacowania masy w układzie podwójnym”. powiedział El-Badry. „Zdolność Gemini do dostarczania obserwacji w krótkim czasie była kluczowa dla powodzenia projektu. Gdybyśmy przegapili to wąskie okno, musielibyśmy poczekać kolejny rok”.
Obecne modele astronomiczne ewolucji układów podwójnych są mocno naciskane, aby wyjaśnić, w jaki sposób mogła powstać osobliwa konfiguracja układu Gaia BH1. W szczególności gwiazda prekursora, która później przekształciła się w nowo wykrytą czarną dziurę, byłaby co najmniej 20 razy masywniejsza niż nasze Słońce. Oznacza to, że żyłby tylko kilka milionów lat. Gdyby obie gwiazdy powstały w tym samym czasie, ta masywna gwiazda szybko przekształciłaby się w nadolbrzym, nadymając i pochłaniając drugą gwiazdę, zanim zdążyła stać się właściwą, spalającą wodór gwiazdą ciągu głównego, taką jak nasze Słońce.
Wcale nie jest jasne, w jaki sposób gwiazda o masie Słońca mogła przetrwać ten epizod, stając się pozornie normalną gwiazdą, jak wskazują obserwacje układu podwójnego czarnej dziury. Wszystkie modele teoretyczne, które pozwalają na przetrwanie, przewidują, że gwiazda o masie Słońca powinna znaleźć się na znacznie ciaśniejszej orbicie niż to, co jest faktycznie obserwowane.
Może to wskazywać, że istnieją ważne luki w naszym zrozumieniu tego, w jaki sposób czarne dziury powstają i ewoluują w układach podwójnych, a także sugerować istnienie jeszcze niezbadanej populacji uśpionych czarnych dziur w układach podwójnych.
„To ciekawe, że ten system nie jest łatwo przystosowany do standardowych binarnych modeli ewolucji” – podsumował El-Badry. „To stawia wiele pytań o to, jak powstał ten układ podwójny, a także ile jest tam tych uśpionych czarnych dziur”.
„Jako część sieci kosmicznych i naziemnych obserwatoriów, Gemini North dostarczyła nie tylko mocnych dowodów na istnienie najbliższej do tej pory czarnej dziury, ale także pierwszego nieskazitelnego systemu czarnych dziur, niezakłóconego zwykłym gorącym gazem oddziałującym z czarną dziurą ”, powiedział Martin Still, dyrektor programu NSF Gemini. „Podczas gdy potencjalnie wróży to przyszłe odkrycia przewidywanej populacji uśpionych czarnych dziur w naszej Galaktyce, obserwacje pozostawiają również tajemnicę do rozwiązania – pomimo wspólnej historii z egzotycznym sąsiadem, dlaczego gwiazda towarzysząca w tym układzie podwójnym jest tak normalna? “
Obserwacje Gemini North zostały wykonane w ramach dyspozycyjnego programu czasowego reżysera (identyfikator programu: GN-2022B-DD-202).
Międzynarodowe Obserwatorium Gemini jest obsługiwane przez partnerstwo sześciu krajów, w tym Stany Zjednoczone za pośrednictwem Narodowej Fundacji Nauki, Kanada za pośrednictwem Narodowej Rady ds. Badań Naukowych Kanady, Chile za pośrednictwem Narodowej Agencji Badań i Rozwoju, Brazylia za pośrednictwem Ministerstwa Nauki i Technologii i Innowacje, Argentyna za pośrednictwem Ministerstwa Nauki, Technologii i Innowacji oraz Korea za pośrednictwem Koreańskiego Instytutu Astronomii i Nauki Kosmicznej. Ci Uczestnicy oraz Uniwersytet Hawajski, który ma regularny dostęp do Gemini, prowadzą „Krajowe Biuro Gemini”, aby wspierać swoich lokalnych użytkowników.