Astronomowie znajdują gwiazdę podobną do Słońca krążącą wokół pobliskiej czarnej dziury

W 1916 roku Karl Schwarzchild teoretyzował istnienie czarnych dziur jako rozwiązanie równań pola Einsteina w swojej Ogólnej Teorii Względności. W połowie XX wieku astronomowie po raz pierwszy zaczęli wykrywać czarne dziury za pomocą metod pośrednich, które polegały na obserwacji ich wpływu na otaczające obiekty i przestrzeń. Od lat 80. naukowcy badali supermasywne czarne dziury (SMBH), które znajdują się w centrach najbardziej masywnych galaktyk we Wszechświecie. A do kwietnia 2019 roku współpraca Event Horizon Telescope (EHT) opublikowała pierwsze kiedykolwiek wykonane zdjęcie SMBH.

Obserwacje te są okazją do przetestowania praw fizyki w najbardziej ekstremalnych warunkach i oferują wgląd w siły, które ukształtowały Wszechświat. Według ostatnich badań międzynarodowy zespół badawczy oparł się na danych z Obserwatorium Gaia ESA, aby zaobserwować gwiazdę podobną do Słońca o dziwnych charakterystykach orbitalnych. Ze względu na charakter orbity zespół doszedł do wniosku, że musi być częścią układu podwójnego czarnej dziury. To sprawia, że ​​​​jest najbliższą czarną dziurą naszego Układu Słonecznego i sugeruje istnienie sporej populacji uśpionych czarnych dziur w naszej galaktyce.

Badania prowadził Kareem El-Badry, astrofizyk Harvard Society Fellow z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) i Max Planck Institute for Astronomy (MPIA). Dołączyli do niego naukowcy z CfA, MPIA, Caltech, UC Berkely, Centrum Astrofizyki Obliczeniowej Instytutu Flatiron (CCA), Instytutu Nauki Weizmanna , Obserwatorium Paryskiego , Instytutu Astrofizyki i Badań Kosmicznych Kavli MIT oraz wielu uniwersytetów. Artykuł opisujący ich odkrycia zostanie opublikowany w miesięczniku zawiadomień Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.

Jak wyjaśnił El-Badry w e-mailu Universe Today, obserwacje te były częścią szerszej kampanii mającej na celu identyfikację uśpionych towarzyszy czarnych dziur normalnych gwiazd w Drodze Mlecznej.

Przez ostatnie cztery lata szukałem uśpionych czarnych dziur, korzystając z szerokiej gamy zbiorów danych i metod” – powiedział. „Moje poprzednie próby ujawniły zróżnicowaną menażerię plików binarnych, które podszywają się pod czarne dziury, ale to był pierwszy raz, kiedy poszukiwania przyniosły owoce.

Na potrzeby tego badania El-Badry i jego koledzy oparli się na danych uzyskanych przez Obserwatorium Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) . Misja ta spędziła prawie dekadę mierząc pozycje, odległości i ruchy własne prawie miliarda obiektów astronomicznych, takich jak gwiazdy, planety, komety, asteroidy i galaktyki. Śledząc ruch obiektów krążących wokół centrum Drogi Mlecznej (technika znana jako astrometria), misja Gaia ma na celu skonstruowanie najdokładniejszego katalogu kosmicznego 3D, jaki kiedykolwiek stworzono.

Dla swoich celów El-Badry i jego koledzy zbadali wszystkie 168 065 gwiazd w Gaia Data Release 3 (GDR3), które wydawały się mieć orbity dwóch ciał. Ich analiza znalazła szczególnie obiecującego kandydata, gwiazdę typu G (żółta gwiazda) oznaczoną jako Gaia DR3 4373465352415301632 – na ich potrzeby zespół oznaczył ją jako Gaia BH1. Na podstawie obserwowanego rozwiązania orbitalnego El-Badry i jego koledzy ustalili, że gwiazda ta musi mieć towarzysza podwójnego czarnej dziury. Powiedział El-Badry:

Dane Gaia ograniczają sposób poruszania się gwiazdy na niebie, śledząc elipsę okrążającą czarną dziurę. Wielkość orbity i jej okres ograniczają masę jej niewidzialnego towarzysza – około 10 mas Słońca. Aby potwierdzić, że rozwiązanie Gaia jest poprawne i wykluczyć alternatywy inne niż czarna dziura, obserwowaliśmy gwiazdę spektroskopowo za pomocą kilku innych teleskopów. To zaostrzyło nasze ograniczenia dotyczące masy towarzysza i udowodniło, że jest naprawdę „ciemny”.

Aby potwierdzić swoje obserwacje, zespół przeanalizował pomiary prędkości radialnej Gaia BH1 z wielu teleskopów. Obserwatorium WM Kecka spektrometr Echelle o wysokiej rozdzielczości (HIRES), spektrograf optyczny o rozszerzonym zakresie (FEROS) teleskopu MPG/ESO , spektrograf X-Shooter teleskopu VLT (VLT) oraz spektrografy wieloobiektowe Gemini. (GMOS), spektrograf Magellan Echellette (MagE) oraz LAMOST (Large Sky Area Multi-Object Fibre Spectroscopic Telescope).

Podobnie jak w przypadku metody wykorzystywanej do polowania na egzoplanety (spektroskopia dopplerowska), widma dostarczone przez te instrumenty umożliwiły zespołowi obserwację i pomiar sił grawitacyjnych wpływających na jego orbitę. Te dalsze obserwacje potwierdziły rozwiązanie orbitalne Gaia BH1 i to, że towarzysz z około dziesięcioma masami Słońca krąży z nim. Jak wskazał El-Badry, odkrycia te mogą stanowić pierwszą czarną dziurę w Drodze Mlecznej, której nie zaobserwowano na podstawie jej emisji promieniowania rentgenowskiego lub innych uwolnień energetycznych:

Modele przewidują, że Droga Mleczna zawiera około 100 milionów czarnych dziur. Ale zaobserwowaliśmy tylko około 20 z nich. Wszystkie poprzednie, które zaobserwowaliśmy, znajdują się w „rentgenowskich układach podwójnych”: czarna dziura zjada gwiazdę towarzyszącą i świeci jasno w promieniach X, gdy potencjalna energia grawitacyjna tego materiału zamienia się w światło. Ale to tylko wierzchołek góry lodowej: może czaić się znacznie większa populacja, ukryta w szerzej oddzielonych układach binarnych. Odkrycie Gaia BH1 rzuca wczesne światło na tę populację.

Jeśli zostaną potwierdzone, odkrycia te mogą oznaczać, że w Drodze Mlecznej istnieje solidna populacja uśpionych czarnych dziur. Odnosi się to do czarnych dziur, które nie są widoczne w jasnych dyskach, wybuchach promieniowania lub dżetach hiperszybkich emanujących z ich biegunów (jak to często ma miejsce w przypadku kwazarów). Jeśli te obiekty są wszechobecne w naszej galaktyce, implikacje dla ewolucji gwiazd i galaktyk mogą być głębokie. Możliwe jest jednak, że ta konkretna uśpiona czarna dziura jest wartością odstającą i nie wskazuje na większą populację.

Aby zweryfikować swoje ustalenia, El-Badry i jego koledzy z niecierpliwością czekają na Gaia Data Release 4 (GDR 4), którego data nie została jeszcze ustalona, ​​która obejmie wszystkie dane zebrane podczas pięcioletniej misji nominalnej (GDR 4). ). To wydanie będzie zawierać najbardziej aktualne katalogi astrometryczne, fotometryczne i prędkości radialnej dla wszystkich obserwowanych gwiazd, układów binarnych, galaktyk i egzoplanet. Piąte i ostatnie wydanie (GDR 5) będzie zawierało dane z misji nominalnej i rozszerzonej (pełne dziesięć lat).

W oparciu o wskaźnik występowania BH sugerowany przez Gaia BH1, oszacowaliśmy, że następne wydanie danych Gaia umożliwi odkrycie dziesiątek podobnych systemów. Mając tylko jeden przedmiot, trudno jest dokładnie określić, co to oznacza dla populacji (może to być po prostu dziwak, przypadek). Jesteśmy podekscytowani badaniami demograficznymi populacji, które będziemy mogli przeprowadzić na większych próbach.powiedział El-Badry.

Gaia widzi “dziwne” gwiazdy w najbardziej szczegółowym dotychczas przeglądzie Drogi Mlecznej

Dziś misja ESA (European Space Agency) Gaia udostępnia nową skarbnicę danych o naszej macierzystej galaktyce. Astronomowie opisują dziwne „trzęsienia gwiazd”, gwiezdne DNA, asymetryczne ruchy i inne fascynujące spostrzeżenia w tym jak dotąd najbardziej szczegółowym przeglądzie Drogi Mlecznej.

Gaia to misja ESA polegająca na stworzeniu najdokładniejszej i kompletnej wielowymiarowej mapy Drogi Mlecznej. Pozwala to astronomom zrekonstruować strukturę naszej macierzystej galaktyki i przeszłą ewolucję na przestrzeni miliardów lat oraz lepiej zrozumieć cykl życia gwiazd i nasze miejsce we Wszechświecie.

Publikacja danych Gaia 3 zawiera nowe i ulepszone szczegóły dotyczące prawie dwóch miliardów gwiazd w naszej galaktyce. Katalog zawiera nowe informacje, w tym skład chemiczny, temperatury gwiazd, kolory, masy, wiek oraz prędkość, z jaką gwiazdy zbliżają się lub oddalają od nas (prędkość promieniowa). Wiele z tych informacji zostało ujawnionych dzięki nowo opublikowanym danym spektroskopowym, technice, w której światło gwiazd jest dzielone na składowe kolory (jak tęcza). Dane obejmują również specjalne podzbiory gwiazd, takie jak te, które zmieniają jasność w czasie.

Nowością w tym zestawie danych jest także największy dotychczas katalog gwiazd podwójnych, tysiące obiektów Układu Słonecznego, takich jak asteroidy i księżyce planet, oraz miliony galaktyk i kwazarów poza Drogą Mleczną.

Gwiezdne trzęsienia

Jednym z najbardziej zaskakujących odkryć wynikających z nowych danych jest to, że Gaia jest w stanie wykryć trzęsienia gwiazd – niewielkie ruchy na powierzchni gwiazdy – które zmieniają kształty gwiazd, do czego obserwatorium nie zostało pierwotnie zbudowane.

Gaia już wcześniej odkryła oscylacje radialne, które powodują okresowe pęcznienie i kurczenie się gwiazd, przy jednoczesnym zachowaniu ich kulistego kształtu. Ale Gaia zauważyła teraz również inne wibracje, które bardziej przypominają tsunami na dużą skalę. Te nieradialne oscylacje zmieniają globalny kształt gwiazdy i dlatego są trudniejsze do wykrycia.

Gaia znalazła silne nieradialne trzęsienia gwiazd w tysiącach gwiazd. Gaia ujawniła również takie wibracje w gwiazdach, które rzadko widywano wcześniej. Te gwiazdy nie powinny mieć żadnych wstrząsów zgodnie z obecną teorią, podczas gdy Gaia wykryła je na ich powierzchni.

Trzęsienia gwiazd wiele nas uczą o gwiazdach, zwłaszcza o ich wewnętrznym działaniu. Gaia otwiera kopalnię złota dla „asterosejsmologii” masywnych gwiazd.mówi Conny Aerts z KU Leuven w Belgii, członek współpracy Gaia.

DNA gwiazd

To, z czego zbudowane są gwiazdy, może nam powiedzieć o ich miejscu narodzin i późniejszej podróży, a tym samym o historii Drogi Mlecznej. Wraz z dzisiejszą publikacją danych, Gaia ujawnia największą chemiczną mapę galaktyki w połączeniu z ruchami 3D, od naszego słonecznego sąsiedztwa po mniejsze galaktyki otaczające nas.

Niektóre gwiazdy zawierają więcej „metali ciężkich” niż inne. Podczas Wielkiego Wybuchu powstały tylko lekkie pierwiastki (wodór i hel). Wszystkie inne cięższe pierwiastki – nazywane przez astronomów metalami – są zbudowane wewnątrz gwiazd. Kiedy gwiazdy umierają, uwalniają te metale do gazu i pyłu między gwiazdami, zwanego ośrodkiem międzygwiazdowym, z którego powstają nowe gwiazdy. Aktywne formowanie się gwiazd i śmierć doprowadzą do środowiska bogatszego w metale. Dlatego skład chemiczny gwiazdy przypomina trochę jej DNA, co daje nam kluczowe informacje o jej pochodzeniu.

Dzięki Gai widzimy, że niektóre gwiazdy w naszej galaktyce są zbudowane z pierwotnego materiału, podczas gdy inne, takie jak nasze Słońce, są zbudowane z materii wzbogaconej przez poprzednie generacje gwiazd. Gwiazdy znajdujące się bliżej środka i płaszczyzny naszej galaktyki są bogatsze w metale niż gwiazdy znajdujące się na większych odległościach. Gaia zidentyfikowała również gwiazdy, które pierwotnie pochodziły z innych galaktyk niż nasza, na podstawie ich składu chemicznego.

Nasza galaktyka to piękny tygiel gwiazd.mówi Alejandra Recio-Blanco z Observatoire de la Côte d’Azur we Francji, członek kolaboracji Gaia.

Ta różnorodność jest niezwykle ważna, ponieważ opowiada nam historię powstawania naszej galaktyki. Ujawnia procesy migracji w naszej galaktyce i akrecji z zewnętrznych galaktyk. Pokazuje również wyraźnie, że nasze Słońce i my wszyscy należymy do ciągle zmieniającego się systemu, powstałego dzięki zgromadzeniu się gwiazd i gazu o różnym pochodzeniu.

Gwiazdy binarne, asteroidy, kwazary i nie tylko

Inne publikowane dzisiaj artykuły odzwierciedlają rozległość i głębię potencjału odkrywczego Gai. Nowy katalog gwiazd podwójnych przedstawia masę i ewolucję ponad 800 tysięcy układów podwójnych, podczas gdy nowy przegląd planetoid obejmujący 156 tysięcy ciał skalistych zagłębia się w pochodzenie naszego Układu Słonecznego. Gaia ujawnia również informacje o 10 milionach gwiazd zmiennych, tajemniczych makrocząsteczkach między gwiazdami, a także kwazarach i galaktykach poza naszym kosmicznym sąsiedztwem.

W przeciwieństwie do innych misji, których celem są określone obiekty, Gaia jest misją badawczą. Oznacza to, że podczas wielokrotnych przeglądów całego nieba z miliardami gwiazd, Gaia z pewnością dokona odkryć, których inne bardziej dedykowane misje przeoczyłyby. To jedna z jej mocnych stron i nie możemy się doczekać, aż społeczność astronomiczna zagłębi się w nasze nowe dane, aby dowiedzieć się o naszej galaktyce i jej otoczeniu jeszcze więcej, niż mogliśmy sobie wyobrazić.mówi Timo Prusti, naukowiec projektu Gaia w ESA.
informacja: ESA