Nếu các ngôi sao lớn chết đi để lại các lỗ đen, như các nhà thiên văn học tin, thì sẽ có hàng trăm triệu chúng nằm rải rác khắp Dải Ngân hà. Vấn đề là các lỗ đen cô lập không thể nhìn thấy được.

Giờ đây, một nhóm nghiên cứu do Đại học California, Berkeley, các nhà thiên văn học lần đầu tiên đã phát hiện ra cái gì có thể là một lỗ đen trôi nổi tự do bằng cách quan sát độ sáng của một ngôi sao ở xa khi ánh sáng của nó bị bóp méo bởi trường hấp dẫn mạnh của một vật thể – do đó – được gọi là vi trọng lực.

Nhóm nghiên cứu được dẫn dắt bởi nghiên cứu sinh Casey Lam và Jessica LowMột phó giáo sư thiên văn học tại Đại học California, Berkeley, ước tính rằng khối lượng của vật thể nhỏ gọn vô hình là từ 1,6 đến 4,4 lần khối lượng của Mặt trời. Bởi vì các nhà thiên văn học tin rằng tàn tích của một ngôi sao chết phải nặng hơn 2,2 lần khối lượng Mặt trời để có thể sụp đổ thành một lỗ đen, các nhà nghiên cứu UC Berkeley cảnh báo rằng vật thể đó có thể là một ngôi sao neutron chứ không phải là một lỗ đen. Sao neutron cũng là những vật thể rất dày đặc và nhỏ gọn, nhưng lực hấp dẫn của chúng được cân bằng bởi áp suất neutron bên trong, điều này giúp ngăn chặn sự sụp đổ tiếp tục thành một lỗ đen.

Cho dù đó là lỗ đen hay sao neutron, vật thể này là tàn tích của sao tối đầu tiên – một “bóng ma” sao – được phát hiện lang thang trong thiên hà mà không liên kết với một ngôi sao khác.

Lu cho biết: “Đây là lỗ đen hoặc sao neutron trôi nổi đầu tiên được phát hiện bằng thấu kính hấp dẫn vi mô. “Bằng cách sử dụng thấu kính mịn hơn, chúng tôi có thể kiểm tra và cân những vật thể bị nén, cô lập này. Tôi nghĩ rằng chúng tôi đã mở ra một cửa sổ mới trên những vật thể tối này, không thể nhìn thấy chúng bằng bất kỳ cách nào khác.”

Việc xác định có bao nhiêu vật thể nhỏ gọn này cư trú trong Dải Ngân hà sẽ giúp các nhà thiên văn học hiểu được sự tiến hóa của các ngôi sao – đặc biệt là cách chúng chết – và sự tiến hóa của thiên hà chúng ta, có thể tiết lộ liệu bất kỳ lỗ đen nào chưa nhìn thấy có phải là lỗ đen nguyên thủy hay không. xem xét Một số nhà vũ trụ học tin rằng số lượng lớn đã được tạo ra trong vụ nổ Big Bang.

Phân tích của Lam, Lu và nhóm quốc tế của họ đã được chấp nhận đăng trên Astrophysical Journal Letters. Phân tích bao gồm bốn sự kiện siêu nhỏ khác mà nhóm nghiên cứu kết luận không phải do lỗ đen gây ra, mặc dù hai sự kiện có khả năng do sao lùn trắng hoặc sao neutron gây ra. Nhóm nghiên cứu cũng kết luận rằng số lượng lỗ đen có khả năng xảy ra trong thiên hà là 200 triệu – con số mà hầu hết các nhà lý thuyết đã mong đợi.

Dữ liệu giống nhau, kết luận khác nhau

Đáng chú ý, một nhóm cạnh tranh từ Viện Khoa học quản lý Kính viễn vọng Không gian (STScI) ở Baltimore đã phân tích cùng một sự kiện microlensing và tuyên bố rằng khối lượng của vật thể nhỏ gọn gần bằng 7,1 khối lượng Mặt trời và là một lỗ đen không thể tranh cãi. Bài báo mô tả phân tích của nhóm STScI do Kailash Sahuđã được chấp nhận để xuất bản trong Tạp chí Vật lý thiên văn.

Cả hai nhóm đều sử dụng dữ liệu giống nhau: các phép đo quang học về độ sáng của một ngôi sao ở xa khi ánh sáng của nó bị bóp méo hoặc bị “phản xạ” bởi vật thể bị nén cao và các phép đo thiên văn về sự thay đổi vị trí của ngôi sao xa xôi trên bầu trời do lực hấp dẫn. sự biến dạng bởi đối tượng thấu kính. Dữ liệu quang học đến từ hai cuộc khảo sát microlens: Thí nghiệm thấu kính hấp dẫn quang học (OGLE), sử dụng kính thiên văn 1,3 mét ở Chile do Đại học Warsaw vận hành và các quan sát Microlens trong Vật lý thiên văn (MOA), được gắn trên máy 1.8 kính thiên văn-mét ở New Zealand do Đại học Warsaw và Đại học Osaka vận hành. Dữ liệu thiên văn đến từ Kính viễn vọng Không gian Hubble của NASA. STScI quản lý chương trình khoa học của kính thiên văn và tiến hành các hoạt động khoa học của nó.

Vì cả hai máy trinh sát bằng ống kính chính xác đều bắt được cùng một đối tượng nên nó có hai tên: MOA-2011-BLG-191 và OGLE-2011-BLG-0462, viết tắt là OB110462.

Trong khi các cuộc khảo sát như thế này phát hiện ra khoảng 2.000 ngôi sao sáng bằng kích thước siêu nhỏ mỗi năm trong Dải Ngân hà, thì việc bổ sung dữ liệu thiên văn đã cho phép hai nhóm xác định khối lượng và khoảng cách của vật thể nhỏ gọn này so với Trái đất. Nhóm nghiên cứu do Đại học California, Berkeley dẫn đầu, ước tính rằng nó nằm cách xa 2.280 đến 6260 năm ánh sáng (700-1920 parsec), về phía trung tâm của Dải Ngân hà và gần chỗ phình lớn bao quanh siêu khối lượng đen trung tâm của thiên hà hố.

Cụm STScI được ước tính cách chúng ta khoảng 5.153 năm ánh sáng (1.580 parsec).

Tôi đang tìm một cái kim trong một đống cỏ khô

Lou và Lam lần đầu tiên quan tâm đến cơ thể vào năm 2020 sau khi nhóm STScI ban đầu kết luận rằng Năm sự kiện microlensing Những cái mà Hubble quan sát – tất cả đều đã tồn tại hơn 100 ngày, và do đó có thể là lỗ đen – có lẽ hoàn toàn không phải do các vật thể nhỏ gây ra.

Lu, người đã tìm kiếm các lỗ đen chuyển động tự do từ năm 2008, nghĩ rằng dữ liệu sẽ giúp cô ước tính tốt hơn sự phong phú của chúng trong thiên hà, ước tính khoảng từ 10 triệu đến 1 tỷ. Cho đến nay, chỉ có các lỗ đen cỡ sao được tìm thấy như một phần của hệ sao đôi. Lỗ đen được nhìn thấy dưới dạng nhị phân hoặc trong tia X, được tạo ra khi vật chất từ ​​một ngôi sao rơi vào lỗ đen hoặc bằng máy dò sóng hấp dẫn hiện đại, nhạy cảm với sự hợp nhất của hai hoặc nhiều lỗ đen. Nhưng những sự kiện này rất hiếm.

“Casey và tôi đã xem dữ liệu và thực sự quan tâm. Chúng tôi nói,” Chà, không có lỗ đen nào cả “, Lu nói. Điều đó thật tuyệt vời, “mặc dù lẽ ra nó phải ở đó.” “Và vì vậy, chúng tôi bắt đầu xem xét dữ liệu. Nếu thực sự không có lỗ đen trong dữ liệu, điều này sẽ không khớp với mô hình của chúng tôi về số lượng lỗ đen nên có trong Dải Ngân hà. Sẽ phải thay đổi điều gì đó để hiểu về màu đen lỗ – số lượng, tốc độ hoặc khối lượng của chúng. “

Khi Lahm phân tích trắc quang và sắc ký của các sự kiện thấu kính trong năm phút, tôi ngạc nhiên rằng một vật, OB110462, có các đặc điểm của một vật thể nhỏ gọn: thân ống kính có vẻ tối, và do đó không phải là một ngôi sao; độ sáng của sao kéo dài trong một thời gian dài, gần 300 ngày; Sự biến dạng về vị trí của ngôi sao nền cũng trong thời gian dài.

Lamm cho biết độ dài của sự kiện ống kính là điểm mấu chốt chính. Vào năm 2020, nó đã chỉ ra rằng cách tốt nhất để tìm kiếm các thấu kính siêu nhỏ của lỗ đen là tìm kiếm các sự kiện rất dài. Bà nói, chỉ 1% các sự kiện nhỏ trong ống kính có thể được phát hiện là từ các lỗ đen, vì vậy việc xem xét tất cả các sự kiện sẽ giống như mò kim đáy bể. Tuy nhiên, theo Lamm, khoảng 40% các sự kiện microlensing kéo dài hơn 120 ngày có khả năng là lỗ đen.

“Sự kiện sáng kéo dài bao lâu là một gợi ý về việc thấu kính tiền cảnh có khối lượng lớn như thế nào sẽ bẻ cong ánh sáng của ngôi sao hậu cảnh,” Lamm nói. “Các sự kiện dài hơn rất có thể là do lỗ đen. Đây không phải là điều đảm bảo, bởi vì thời lượng của vòng sáng không chỉ phụ thuộc vào khối lượng của thấu kính tiền cảnh mà còn vào tốc độ di chuyển của thấu kính tiền cảnh và ngôi sao hậu cảnh so với nhau. Tuy nhiên, bằng cách thu thập các phép đo Đối với vị trí rõ ràng của ngôi sao nền, chúng tôi có thể xác nhận liệu thấu kính tiền cảnh có thực sự là một lỗ đen hay không. “

Theo Lu, hiệu ứng hấp dẫn của OB110462 đối với ánh sáng của ngôi sao nền kéo dài một cách đáng kinh ngạc. Mất khoảng một năm để ngôi sao sáng lên đến đỉnh điểm vào năm 2011, và sau đó khoảng một năm để trở lại bình thường.

Nhiều dữ liệu hơn sẽ phân biệt một lỗ đen với một ngôi sao neutron

Để xác nhận rằng OB110462 là kết quả của một vật thể cực kỳ nhỏ gọn, Low và Lam đã yêu cầu thêm dữ liệu thiên văn từ Hubble, một số dữ liệu đã đến vào tháng 10 năm ngoái. Dữ liệu mới này cho thấy sự thay đổi vị trí của ngôi sao do trường hấp dẫn của thấu kính vẫn có thể được quan sát 10 năm sau sự kiện này. Dự kiến ​​sẽ có thêm nhiều quan sát qua Hubble về microlensing vào mùa thu năm 2022.

Phân tích dữ liệu mới xác nhận rằng OB110462 rất có thể là một lỗ đen hoặc sao neutron.

Low và Lam nghi ngờ rằng các kết luận khác nhau của hai nhóm là do dữ liệu thiên văn và trắc quang đưa ra các phép đo khác nhau về chuyển động tương đối của các vật thể phía trước và phía sau. Phân tích chiêm tinh cũng có sự khác biệt giữa hai đội. Nhóm UC Berkeley cho rằng vẫn chưa thể phân biệt được vật thể đó là lỗ đen hay sao neutron, nhưng họ hy vọng sẽ giải quyết được sự khác biệt bằng nhiều dữ liệu Hubble hơn và phân tích được cải thiện trong tương lai.

Lu nói: “Dù chúng tôi chắc chắn rằng đó là một lỗ đen, thì chúng tôi nên báo cáo tất cả các giải pháp cho phép.

“Nếu bạn không thể tin vào đường cong của ánh sáng, thì độ sáng, điều đó có nghĩa là điều gì đó quan trọng. Nếu bạn không thể tin vào hoàn cảnh so với thời gian, điều đó cho bạn biết một điều quan trọng”, Lamm nói. “Vì vậy, nếu một trong số chúng sai, chúng ta phải hiểu tại sao. Hoặc một khả năng khác là những gì chúng ta đo lường trong hai tập dữ liệu là đúng, nhưng mô hình của chúng ta không chính xác. Dữ liệu trắc quang và thiên văn bắt nguồn từ cùng một quá trình vật lý, có nghĩa là độ sáng và vị trí phải nhất quán.

Cả hai nhóm cũng ước tính vận tốc của thân thấu kính siêu mịn. Nhóm Lu / Lam nhận thấy tốc độ tương đối vừa phải, dưới 30 km / giây. Nhóm STScI đã phát hiện ra tốc độ cao bất thường, 45 km / s, mà họ hiểu là kết quả của một cú đá bổ sung mà cái gọi là lỗ đen nhận được từ siêu tân tinh mà nó tạo ra.

Low giải thích ước tính vận tốc thấp của nhóm cô ấy là hỗ trợ có thể cho một lý thuyết mới rằng lỗ đen không phải là kết quả của siêu tân tinh – giả thiết phổ biến hiện nay – mà thay vào đó là từ các siêu tân tinh bị hỏng không tạo ra tia sáng trong vũ trụ hoặc cho kết quả hố đen một cú đá.

Công việc của Lu và Lam được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia (1909641) và Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia (NNG16PJ26C, NASA FINNESS 80NSSC21K2043).