Астрономы, возможно, обнаружили «темное» тепло

Если смерть крупных звезд оставляет после себя черные дыры, как полагают астрономы, их должны быть сотни миллионов, разбросанные по всему Млечному Пути. Проблема в том, что изолированные черные дыры невидимы.

Теперь группа астрономов под руководством Калифорнийского университета в Беркли впервые обнаружила, что может быть свободно плавающей черной дырой, наблюдая за яркостью далекой звезды, когда ее свет искажается сильным гравитационным полем объекта. — называется микрогравитацией.

Команду возглавляет аспирант Кейси Лэм и Джессика ЛоуАдъюнкт-профессор астрономии Калифорнийского университета в Беркли оценивает массу невидимого компактного объекта в 1,6–4,4 раза больше массы Солнца. Поскольку астрономы считают, что остатки мертвой звезды должны быть тяжелее 2,2 массы Солнца, чтобы коллапсировать в черную дыру, исследователи Калифорнийского университета в Беркли предупреждают, что объект может быть нейтронной звездой, а не черной дырой. Нейтронные звезды также являются очень плотными и компактными объектами, но их гравитация уравновешивается внутренним нейтронным давлением, что препятствует дальнейшему коллапсу в черную дыру.

Будь то черная дыра или нейтронная звезда, этот объект является первым остатком темной звезды — звездным «призраком», обнаруженным блуждающим по галактике, не связанным с другой звездой.

«Это первая парящая черная дыра или нейтронная звезда, обнаруженная с помощью микрогравитационных линз», — сказал Лу. «Используя более тонкую линзу, мы можем исследовать и взвешивать эти изолированные, сжатые объекты. Я думаю, что мы открыли новое окно для этих темных объектов, которые нельзя увидеть никаким другим способом».

Определение того, сколько из этих компактных объектов населяет Млечный Путь, поможет астрономам понять эволюцию звезд — в частности, как они умирают — и эволюцию нашей галактики, возможно, выявив, являются ли какие-либо из невидимых черных дыр первичными черными дырами, которые он считает Некоторые космологи считают, что во время Большого взрыва было произведено большое количество.

Анализ, проведенный Ламом, Лу и их международной командой, был принят к публикации в Письма из астрофизического журнала. Анализ включает четыре других события микролинзирования, которые, по заключению команды, не были вызваны черной дырой, хотя два, вероятно, вызваны белым карликом или нейтронной звездой. Команда также пришла к выводу, что вероятное количество черных дыр в галактике составляет 200 миллионов — примерно то, что ожидало большинство теоретиков.

Одни данные, разные выводы

Примечательно, что конкурирующая команда из Научного института космического телескопа (STScI) в Балтиморе проанализировала то же событие микролинзирования и заявила, что масса компактного объекта ближе к 7,1 массы Солнца и является бесспорной черной дырой. Документ с описанием анализа, проведенного командой STScI под руководством Кайлаш Сахупринято к публикации в Астрофизический журнал.

Обе команды использовали одни и те же данные: фотометрические измерения яркости далекой звезды, когда ее свет искажался или «отражался» сильно сжатым объектом, и астрономические измерения изменения положения далекой звезды на небе под действием гравитации. искажение объектива. Оптические данные были получены в результате двух обзоров микролинз: эксперимента с оптическими гравитационными линзами (OGLE), в котором используется 1,3-метровый телескоп Варшавского университета в Чили, и наблюдений микролинз в астрофизике (MOA), установленных на 1,8-метровом телескопе. метровый телескоп в Новой Зеландии, эксплуатируемый Варшавским университетом Осакского университета. Астрономические данные поступили с космического телескопа НАСА «Хаббл». STScI управляет научной программой телескопа и проводит его научные операции.

Поскольку оба объектива высокоточной разведки захватили один и тот же объект, он имеет два названия: MOA-2011-BLG-191 и OGLE-2011-BLG-0462, или сокращенно OB110462.

В то время как исследования, подобные этому, обнаруживают около 2000 ярких звезд с помощью микролинзирования каждый год в Млечном Пути, именно добавление астрономических данных позволило двум командам определить массу компактного объекта и расстояние от Земли. Команда под руководством Калифорнийского университета в Беркли подсчитала, что она расположена на расстоянии от 2280 до 6260 световых лет (700–1920 парсеков), по направлению к центру Млечного Пути и вблизи большой выпуклости, окружающей центральную сверхмассивную черную галактику. отверстие.

По оценкам, скопление STScI находится на расстоянии около 5 153 световых лет (1 580 парсеков) от нас.

ищу иголку в стоге сена

Лу и Лам впервые заинтересовались телом в 2020 году после того, как команда STScI первоначально пришла к выводу, что Пять событий микролинзирования Наблюдаемые Хабблом — все они существуют более 100 дней и, следовательно, могут быть черными дырами — скорее всего, вовсе не вызваны компактными объектами.

Лу, которая занимается поиском свободно движущихся черных дыр с 2008 года, считает, что данные помогут ей лучше оценить их количество в галактике, которое, по приблизительным оценкам, составляет от 10 миллионов до 1 миллиарда. До сих пор в составе двойных звездных систем были обнаружены только черные дыры размером со звезду. Черные дыры в двойных системах видны либо в рентгеновском излучении, которое возникает, когда материал звезды падает на черную дыру, либо в современных детекторах гравитационных волн, которые чувствительны к слиянию двух или более черных дыр. Но эти события редки.

«Мы с Кейси посмотрели данные и очень заинтересовались. Мы сказали: «Вау, черных дыр не существует», — сказал Лу. Удивительно, «хотя он должен был быть там». «Итак, мы начали смотреть на данные. Если бы в данных действительно не было черных дыр, это не соответствовало бы нашей модели того, сколько черных дыр должно быть в Млечном Пути. Что-то должно измениться в понимании черного отверстия — либо их количество, либо скорость, либо масса».

Когда Лам проанализировал фотометрию и астрометрию пятиминутных событий линзы, я был удивлен, что одно, OB110462, имело характеристики компактного тела: тело линзы казалось темным и, следовательно, не звездой; звездная яркость длилась долго, почти 300 дней; Искажение положения фоновой звезды также было долговременным.

Ламм сказал, что продолжительность объектива была главным советом. В 2020 году он показал, что лучший способ поиска микролинз черных дыр — искать очень длинные события. По ее словам, только 1% мельчайших событий линз, которые могут быть обнаружены, вероятно, происходят из черных дыр, поэтому смотреть на все события было бы все равно, что искать иголку в стоге сена. Но, по словам Ламма, около 40% событий микролинзирования, длящихся более 120 дней, скорее всего, являются черными дырами.

«Как долго длится яркое событие, это намек на то, насколько массивная линза переднего плана преломляет свет звезды на заднем плане», — сказал Ламм. «Более длительные события, скорее всего, связаны с черными дырами. Это не гарантия, потому что продолжительность яркого кольца зависит не только от того, насколько массивна линза переднего плана, но и от того, насколько быстро линза переднего плана и звезда заднего плана движутся относительно друг друга. Однако, также получив измерения видимого местоположения звезды на заднем плане, мы можем подтвердить, действительно ли линза на переднем плане является черной дырой».

По словам Лу, гравитационное воздействие OB110462 на свет фоновой звезды было на удивление продолжительным. Звезде потребовалось около года, чтобы загореться до своего пика в 2011 году, а затем еще около года, чтобы прийти в норму.

Больше данных позволит отличить черную дыру от нейтронной звезды

Чтобы подтвердить, что OB110462 является результатом чрезвычайно компактного объекта, Лоу и Лам запросили у Хаббла дополнительные астрономические данные, некоторые из которых были получены в октябре прошлого года. Эти новые данные показали, что изменение положения звезды из-за гравитационного поля линзы все еще можно было наблюдать через 10 лет после события. Дополнительные наблюдения Хаббла за микролинзированием предварительно запланированы на осень 2022 года.

Анализ новых данных подтвердил, что OB110462, скорее всего, была черной дырой или нейтронной звездой.

Лоу и Лам подозревают, что разные выводы двух групп связаны с тем, что астрономические и фотометрические данные дают разные измерения относительного движения носовых и кормовых объектов. Астрологический анализ также различается между двумя командами. Команда Калифорнийского университета в Беркли утверждает, что пока невозможно различить, является ли объект черной дырой или нейтронной звездой, но они надеются устранить несоответствие с помощью большего количества данных Хаббла и улучшенного анализа в будущем.

«Как бы мы определенно ни говорили, что это черная дыра, мы должны сообщать обо всех допустимых решениях, — сказал Лу. — Сюда входят как черные дыры с меньшей массой, так и, возможно, даже нейтронная звезда».

«Если вы не можете поверить в кривую света, яркость, это означает что-то важное. Если вы не можете поверить в зависимость ситуации от времени, это говорит вам о чем-то важном», — сказал Ламм. «Итак, если один из них неверен, мы должны понять, почему. Или другая возможность заключается в том, что то, что мы измеряем в двух наборах данных, верно, но наша модель неверна. Фотометрические и астрометрические данные происходят из одного и того же физического процесса, это означает, что яркость и положение должны быть согласованы друг с другом. Значит, здесь чего-то не хватает».

Обе группы также оценили скорость тела сверхтонкой линзы. Команда Лу/Лам обнаружила относительно умеренную скорость, менее 30 километров в секунду. Команда STScI обнаружила необычно высокую скорость, 45 км/с, которую они интерпретировали как результат дополнительного толчка, который так называемая черная дыра получила от порожденной ею сверхновой.

Лоу интерпретирует оценку низкой скорости своей команды как возможную поддержку новой теории о том, что черные дыры не являются результатом взрыва сверхновых (это преобладающее сегодня предположение), а вместо этого происходят от неудавшихся сверхновых, которые не производят яркого всплеска во Вселенной и не дают результирующего черная дыра удар.

Работа Лу и Лама поддерживается Национальным научным фондом (1909641) и Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (NNG16PJ26C, NASA FINNESS 80NSSC21K2043).