Astronomen haben das nächste schwarze Loch der Erde entdeckt – im kosmischen Hinterhof

Das Gemini North Telescope auf Hawaii enthüllt den ersten ruhenden Sternhaufen[{“ attribute=““>black hole in our cosmic backyard.

Using the International Gemini Observatory, astronomers have discovered the closest-known black hole to Earth. This is the first unambiguous detection of a dormant stellar-mass black hole in the Milky Way. Located a mere 1600 light-years away, its close proximity to Earth offers an intriguing target of study to advance our understanding of the evolution of binary systems.

Black holes are the most extreme objects in the Universe. It is believed that supermassive versions of these unimaginably dense objects reside at the centers of all large galaxies. Stellar-mass black holes — which weigh approximately five to 100 times the mass of the Sun — are much more common. In fact, there are an estimated 100 million stellar-mass black holes in the Milky Way alone. However, only a handful have been confirmed to date, and nearly all of these are ‘active’. This means that they shine brightly in X-rays as they consume material from a nearby stellar companion, unlike dormant black holes which do not.

Astronomers have now discovered the closest black hole to Earth, which the researchers have dubbed Gaia BH1. To find it, they used the Gemini North telescope in Hawai‘i, one of the twin telescopes of the International Gemini Observatory, operated by NSF’s NOIRLab.

Gaia BH1 is a dormant black hole that is about 10 times more massive than the Sun and is located about 1600 light-years away in the constellation Ophiuchus. This means it is three times closer to Earth than the previous record holder, an X-ray binary in the constellation of Monoceros. The new discovery was made possible by making exquisite observations of the motion of the black hole’s companion, a Sun-like star that orbits the black hole at about the same distance as the Earth orbits the Sun.

Diese Animation zeigt einen sonnenähnlichen Stern, der Gaia BH1 umkreist, das der Erde am nächsten gelegene Schwarze Loch, das sich etwa 1.600 Lichtjahre entfernt befindet. Beobachtungen von Gemini North, einem der Zwillingsteleskope des Gemini International Observatory, das vom NOIRLab der NSF betrieben wird, waren entscheidend, um die Orbitalbewegung und damit die Massen der beiden Komponenten im Doppelsternsystem einzuschränken, sodass das Team das zentrale Objekt als identifizieren konnte ein schwarzes Loch mit der zehnfachen Masse unserer Sonne. Quelle: T. Müller (MPIA), PanSTARRS DR1 (KC Chambers et al. 2016), ESA/Gaia/DPAC

„Nehmen Sie das Sonnensystem, platzieren Sie ein Schwarzes Loch dort, wo die Sonne ist, und die Sonne ist dort, wo die Erde ist, und Sie haben dieses System“, erklärt Karim El-Badri, ein Astrophysiker am Astrophysical Center. Harvard, Smithsonian und das Max-Planck-Institut für Astronomie und Hauptautor des Papiers, das diese Entdeckung beschreibt, veröffentlicht am 2. November in Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.

Während es viele behauptete Entdeckungen solcher Systeme gegeben hat, wurden fast alle diese Entdeckungen anschließend widerlegt. Dies ist die erste eindeutige Entdeckung eines sonnenähnlichen Sterns in einer weiten Umlaufbahn um ein Schwarzes Loch mit stellarer Masse in unserer Galaxie.“

Obwohl es Millionen von Schwarzen Löchern mit stellarer Masse gibt, die die Milchstraße durchstreifen, wurden nur sehr wenige durch ihre aktive Wechselwirkung mit einem Begleitstern entdeckt. Wenn Material von einem nahen Stern in Richtung des Schwarzen Lochs rotiert, wird es extrem heiß und erzeugt starke Röntgenstrahlen und Materialstrahlen. Wenn ein Schwarzes Loch sich nicht aktiv ernährt (dh schläft), verschmilzt es einfach mit seiner Umgebung.

„Ich habe in den letzten vier Jahren mit einer breiten Palette von Datensätzen und Methoden nach ruhenden Schwarzen Löchern gesucht“, sagte Al-Badri. „Meine früheren Versuche – wie auch die anderer – haben zu einer Reihe von binären Systemen geführt, die sich als Schwarze Löcher tarnen, aber dies ist das erste Mal, dass die Forschung Früchte trägt.“

Das Team identifizierte das System ursprünglich als potenziell ein Schwarzes Loch, indem es Daten von analysierte Europäische Weltraumorganisation Gaia-Raumschiff. Gaia fing die winzigen Unregelmäßigkeiten in der Bewegung des Sterns ein, die durch die Schwerkraft eines massiven, unsichtbaren Objekts verursacht wurden. Um das System genauer zu untersuchen, wandten sich Al-Badri und sein Team dem Gemini Multi-Object Spectrograph-Instrument bei Gemini North zu, das die Geschwindigkeit des Begleitsterns maß, als er das Schwarze Loch umkreiste, und eine genaue Messung der Periode seiner Umlaufbahn lieferte . Die Folgebeobachtungen von Gemini waren entscheidend, um die Orbitalbewegung und damit die Massen der beiden Komponenten im Doppelsternsystem einzuschränken, sodass das Team das zentrale Objekt als Schwarzes Loch mit etwa der zehnfachen Masse unserer Sonne identifizieren konnte.

Al-Badri erklärte, dass „unsere Beobachtungen von Geminis Follow-up zweifelsfrei bestätigten, dass der Doppelstern einen gewöhnlichen Stern und mindestens ein ruhendes Schwarzes Loch enthält.“ „Wir konnten kein plausibles astrophysikalisches Szenario finden, das die beobachtete Umlaufbahn eines Systems erklären könnte, das nicht mindestens ein Schwarzes Loch enthält.“

Das Team verließ sich nicht nur auf die beeindruckenden Überwachungsfähigkeiten von Gemini North, sondern auch auf die Fähigkeit von Gemini, Daten innerhalb einer knappen Frist bereitzustellen, da dem Team nur wenig Zeit blieb, um seine Folgebeobachtungen durchzuführen.

„Als wir die ersten Anzeichen dafür hatten, dass das System ein Schwarzes Loch enthielt, hatten wir nur eine Woche Zeit, bis die beiden Objekte ihre engste Bahntrennung erreichten. Messungen an diesem Punkt sind notwendig, um genaue Schätzungen der Masse in einem binären System vorzunehmen“, sagt Al -Badri sagte. „Die Fähigkeit von Gemini, innerhalb kurzer Zeit Feedback zu geben, war entscheidend für den Erfolg des Projekts. Wenn wir dieses enge Zeitfenster verpasst haben, mussten wir ein weiteres Jahr warten.“

Es ist schwierig, die aktuellen Modelle der Astronomen zur Entwicklung von Doppelsternsystemen zu erklären, um zu erklären, wie die eigentümliche Bildung von Gaia BH1 entstand. Insbesondere der Vorläuferstern, der sich später in das neu entdeckte Schwarze Loch verwandelte, hatte mindestens die zwanzigfache Masse unserer Sonne. Das bedeutet, dass sie nur wenige Millionen Jahre gelebt hätte. Wenn sich beide Sterne gleichzeitig bilden würden, würde sich dieser massereiche Stern schnell in einen Überriesen verwandeln, der den anderen Stern aufbläst und verschlingt, bevor er Zeit hätte, ein richtiger, wasserstoffbrennender Hauptreihenstern wie unsere Sonne zu werden.

Es ist überhaupt nicht klar, wie ein Stern mit Sonnenmasse diesen Ring überleben und als scheinbar normaler Stern enden könnte, wie Beobachtungen eines binären Schwarzen Lochs nahelegen. Alle theoretischen Modelle, die ein Überleben ermöglichen, sagen voraus, dass der Stern mit Sonnenmasse in einer engeren Umlaufbahn hätte landen müssen, als tatsächlich beobachtet wird.

Dies könnte auf wichtige Lücken in unserem Verständnis darüber hinweisen, wie Schwarze Löcher in Doppelsystemen entstehen und sich entwickeln, sowie auf die Existenz einer noch unerforschten Gruppe ruhender Schwarzer Löcher in Doppelsystemen hindeuten.

„Interessanterweise kann dieses System nicht einfach durch standardmäßige binäre Evolutionsmodelle angepasst werden“, schloss Al-Badri. „Es wirft viele Fragen darüber auf, wie sich dieses binäre System gebildet hat und wie viele schwarze Löcher es gibt.“

„Als Teil eines Netzwerks von weltraum- und bodengestützten Observatorien hat Gemini North nicht nur starke Beweise für das bisher nächstgelegene Schwarze Loch geliefert, sondern auch das erste ursprüngliche System von Schwarzen Löchern geliefert, das in dem üblichen heißen Gas angeordnet ist, das mit einem Schwarzen interagiert Loch“, sagte Martin Steele, Beamter des Gemini-Programms für die NSF Foundation. „Während dies möglicherweise zukünftige Entdeckungen der erwarteten Ansammlung ruhender Schwarzer Löcher in unserer Galaxie vorwegnimmt, hinterlassen die Beobachtungen auch ein Rätsel, das gelöst werden muss – trotz der gemeinsamen Geschichte mit seinem außerirdischen Nachbarn, warum ist ein Begleitstern in diesem Doppelsternsystem so normal?“

Referenz: „Sonnenähnlicher Stern umkreist ein Schwarzes Loch“ von Karim Badri, Hans Walter Rex, Elliot Quatert, Andrew W. Howard, Howard Isaacson, Jim Fuller, Keith Hawkins, Katelyn Breivik, Kazi WK Wong, Antonio C. Rodriguez, Charlie Conroy, Glamour Shahav, Tsvi Mazeh, Frédéric Arino, Kevin B. Berdge, Dolev Bachi, Simchon Weigler, Daniel R. Weisz, Reiss Seiberger, Silvia Almada Münter und Jennifer Wuino, 2. November 2022, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stac3140

Gemini North-Notizen wurden im Rahmen des Director’s Estimated Time Program (Programm-ID: GN-2022B-DD-202) durchgeführt.

Gemini International Observatory wird von einer Partnerschaft aus sechs Ländern betrieben, darunter die Vereinigten Staaten durch die National Science Foundation, Kanada durch den National Research Council of Canada, Chile durch die Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo, Brasilien durch das Ministerium für Wissenschaft und Technologie. e Inovações, Argentinien durch das Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación und Korea durch das Korea Institute of Astronomy and Space Sciences. Diese Teilnehmer und die University of Hawaii, die regelmäßigen Zugriff auf Gemini hat, unterhalten jeweils ein „Gemini National Office“, um lokale Benutzer zu unterstützen.