Kính viễn vọng Gemini North ở Hawaii tiết lộ cụm sao ngủ đông đầu tiên[{” 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.

Hình ảnh động này cho thấy một ngôi sao giống như mặt trời quay quanh Gaia BH1, lỗ đen gần Trái đất nhất, nằm cách xa khoảng 1.600 năm ánh sáng. Các quan sát của Gemini North, một trong những kính thiên văn đôi của Đài quan sát quốc tế Gemini, được vận hành bởi NOIRLab của NSF, có vai trò quan trọng trong việc hạn chế chuyển động quỹ đạo và do đó khối lượng của hai thành phần trong hệ nhị phân, cho phép nhóm xác định vật thể trung tâm là một lỗ đen có khối lượng gấp 10 lần Mặt trời của chúng ta. Nhà cung cấp hình ảnh: T. Müller (MPIA), PanSTARRS DR1 (KC Chambers và cộng sự 2016), ESA / Gaia / DPAC

Karim El-Badri, một nhà vật lý thiên văn tại Trung tâm Vật lý Thiên văn, giải thích: “Hãy lấy hệ mặt trời, đặt một lỗ đen ở nơi có mặt trời và mặt trời ở nơi Trái đất, và bạn sẽ có hệ thống này”. Viện Thiên văn học Harvard, Smithsonian và Max Planck, đồng thời là tác giả chính của bài báo mô tả khám phá này, được xuất bản ngày 2 tháng 11 trong Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia.

Mặc dù đã có nhiều khám phá được khẳng định về các hệ thống như vậy, nhưng hầu như tất cả những khám phá này sau đó đã bị bác bỏ. Đây là khám phá rõ ràng đầu tiên về một ngôi sao giống như mặt trời trên một quỹ đạo rộng xung quanh một lỗ đen có khối lượng sao trong thiên hà của chúng ta ”.

Mặc dù có hàng triệu lỗ đen khối lượng sao di chuyển trong Dải Ngân hà, nhưng rất ít lỗ được phát hiện thông qua các tương tác tích cực của chúng với một ngôi sao đồng hành. Khi vật chất từ ​​một ngôi sao gần đó quay theo hướng của lỗ đen, nó trở nên cực nóng và tạo ra tia X và tia phản lực mạnh của vật chất. Nếu một lỗ đen không tích cực kiếm ăn (tức là nó đang ngủ) thì nó chỉ đơn giản là hòa nhập với môi trường xung quanh.

Al-Badri cho biết: “Tôi đã tìm kiếm các lỗ đen không hoạt động trong 4 năm qua bằng cách sử dụng nhiều bộ dữ liệu và phương pháp khác nhau. “Những nỗ lực trước đây của tôi – cũng như của những người khác – đã làm phát sinh một loạt các hệ thống nhị phân giả dạng lỗ đen, nhưng đây là lần đầu tiên nghiên cứu có kết quả.”

Ban đầu, nhóm đã xác định hệ thống có khả năng lưu trữ một lỗ đen bằng cách phân tích dữ liệu từ Cơ quan Vũ trụ Châu Âu Tàu vũ trụ Gaia. Gaia đã ghi lại những điểm bất thường từng phút trong chuyển động của ngôi sao gây ra bởi lực hấp dẫn của một vật thể khổng lồ, không nhìn thấy được. Để khám phá hệ thống chi tiết hơn, Al-Badri và nhóm của ông đã chuyển sang thiết bị Quang phổ đa vật thể Gemini tại Gemini North, thiết bị đo tốc độ của ngôi sao đồng hành khi nó quay quanh hố đen và cung cấp phép đo chính xác về chu kỳ quỹ đạo của nó. . Các quan sát tiếp theo của Gemini đóng vai trò quan trọng trong việc hạn chế chuyển động của quỹ đạo và do đó khối lượng của hai thành phần trong hệ nhị phân, cho phép nhóm nghiên cứu xác định vật thể trung tâm là một lỗ đen có khối lượng gấp 10 lần mặt trời của chúng ta.

Al-Badri giải thích rằng “những quan sát của chúng tôi về sự theo dõi của Gemini đã khẳng định chắc chắn rằng hệ nhị phân chứa một ngôi sao bình thường và ít nhất một lỗ đen không hoạt động.” “Chúng tôi không thể tìm thấy một kịch bản vật lý thiên văn hợp lý có thể giải thích quỹ đạo quan sát của một hệ thống không bao gồm ít nhất một lỗ đen.”

Nhóm nghiên cứu không chỉ dựa vào khả năng giám sát ấn tượng của Gemini North mà còn vào khả năng cung cấp dữ liệu theo thời hạn chặt chẽ của Gemini, vì nhóm chỉ có một thời gian ngắn để thực hiện các quan sát tiếp theo của họ.

“Khi chúng tôi có những dấu hiệu đầu tiên cho thấy hệ thống chứa một lỗ đen, chúng tôi chỉ có một tuần trước khi hai vật thể ở khoảng cách quỹ đạo gần nhất. -Badri nói. “Khả năng cung cấp phản hồi trong thời gian ngắn của Gemini rất quan trọng đối với sự thành công của dự án. Nếu chúng tôi bỏ lỡ cơ hội hạn hẹp đó, chúng tôi phải đợi thêm một năm nữa”.

Rất khó để nhấn mạnh các mô hình hiện tại của các nhà thiên văn học về sự tiến hóa của các hệ nhị phân để giải thích sự hình thành kỳ lạ của Gaia BH1 đã hình thành như thế nào. Cụ thể, ngôi sao tiền thân sau này biến thành lỗ đen mới được phát hiện có khối lượng ít nhất gấp 20 lần mặt trời của chúng ta. Điều này có nghĩa là cô ấy sẽ chỉ sống được vài triệu năm. Nếu cả hai ngôi sao hình thành cùng một lúc, ngôi sao khổng lồ đó sẽ nhanh chóng biến thành một ngôi sao siêu khổng lồ, thổi phồng và nhấn chìm ngôi sao kia trước khi nó có thời gian để trở thành một ngôi sao dãy chính thích hợp, đốt cháy hydro giống như Mặt trời của chúng ta.

Hoàn toàn không rõ ràng làm thế nào mà một ngôi sao có khối lượng mặt trời có thể tồn tại trong vòng đó, và kết thúc như một ngôi sao dường như bình thường, như các quan sát về một lỗ đen nhị phân cho thấy. Tất cả các mô hình lý thuyết cho phép tồn tại đều dự đoán rằng ngôi sao có khối lượng mặt trời đã kết thúc ở một quỹ đạo hẹp hơn so với thực tế được quan sát.

Điều này có thể chỉ ra những lỗ hổng quan trọng trong hiểu biết của chúng ta về cách các lỗ đen hình thành và phát triển trong các hệ nhị phân, cũng như cho thấy sự tồn tại của một nhóm lỗ đen không hoạt động chưa được khám phá trong các hệ nhị phân.

Al-Badri kết luận: “Điều thú vị là hệ thống này không thể dễ dàng điều chỉnh bằng các mô hình tiến hóa nhị phân tiêu chuẩn. “Nó đặt ra nhiều câu hỏi về cách hệ thống nhị phân này hình thành, cũng như có bao nhiêu lỗ đen ẩn nấp ở đó.”

“Là một phần của mạng lưới các đài quan sát trên mặt đất và không gian, Gemini North không chỉ cung cấp bằng chứng mạnh mẽ về lỗ đen gần nhất cho đến nay, mà còn cung cấp hệ thống lỗ đen ban đầu đầu tiên, được bố trí trong khí nóng thông thường tương tác với một màu đen. Martin Steele, quan chức Chương trình Gemini của Quỹ NSF, cho biết. “Mặc dù điều này có khả năng báo trước những khám phá trong tương lai về cụm lỗ đen không hoạt động dự kiến ​​của thiên hà chúng ta, nhưng các quan sát cũng để lại một bí ẩn cần được giải đáp – mặc dù có chung lịch sử với người hàng xóm ngoài hành tinh, tại sao một ngôi sao đồng hành trong hệ đôi này lại bình thường như vậy?”

Tham khảo: “Ngôi sao giống mặt trời quay quanh hố đen” của 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 và Jennifer Wuino, ngày 2 tháng 11 năm 2022, Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia.
DOI: 10.1093 / mnras / stac3140

Ghi chú Gemini North được thực hiện như một phần của Chương trình Thời gian Dự kiến ​​của Giám đốc (ID Chương trình: GN-2022B-DD-202).

Đài quan sát quốc tế Gemini được điều hành bởi sự hợp tác của sáu quốc gia, bao gồm Hoa Kỳ thông qua Quỹ Khoa học Quốc gia, Canada thông qua Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Canada, Chile thông qua Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo, Brazil thông qua Bộ Khoa học và Công nghệ. e Inovações, Argentina thông qua Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación và Hàn Quốc thông qua Viện Khoa học Vũ trụ và Thiên văn Hàn Quốc. Những người tham gia này và Đại học Hawaii, nơi có quyền truy cập thường xuyên vào Gemini, đều duy trì một “Văn phòng Quốc gia Gemini” để hỗ trợ người dùng địa phương.