Zwaartekracht microlensing duikt op supernova, ze laten een zwart gat. Naar schatting is ongeveer één op de duizend sterren groot genoeg om een zwart gat te laten ontstaan. Met de heelal.
Artikel door University of California – Berkeley
Toch kunnen zwarte gaten door hun aard erg moeilijk te detecteren zijn, vooral als ze geïsoleerd zijn. Een zwart gat heeft tenslotte zo'n krachtige zwaartekracht dat licht niet ontsnapt, dus we detecteren ze over het algemeen door hun zwaartekrachtinvloed op andere objecten of door straling die wordt gecreëerd door de omringende materie die ze verslinden. Zonder nabije objecten of aangroeiende materie zouden er honderden miljoenen zwarte gaten in ons melkwegstelsel kunnen zijn die in wezen onzichtbaar zijn voor astronomen.
Als, zoals astronomen denken, de dood van grote sterren zwarte gaten achterlaat, dan zouden er honderden miljoenen van zijn verspreid over het Melkwegstelsel. Het probleem is dat geïsoleerde zwarte gaten onzichtbaar zijn.
Nu, een team onder leiding van zwaartekracht microlensing.
Het team, geleid door afgestudeerde student Casey Lam en Jessica Lu, een universitair hoofddocent astronomie aan de UC Berkeley, schat dat de massa van het onzichtbare compacte object tussen 1.6 en 4.4 keer die van de zon is. Omdat astronomen denken dat het overgebleven overblijfsel van een dode ster zwaarder moet zijn dan 2.2 zonsmassa's om in te storten tot een zwart gat, waarschuwen de onderzoekers van UC Berkeley dat het object een 
Hubble Space Telescope-opname van een verre ster die helderder en vervormd werd door een onzichtbaar maar zeer compact en zwaar object tussen de ster en de aarde. Het compacte object - geschat door UC Berkeley-astronomen op 1.6 tot 4.4 keer de massa van onze zon - zou een vrij zwevend zwart gat kunnen zijn, een van misschien 200 miljoen in het Melkwegstelsel. Krediet: Afbeelding met dank aan STScI/NASA/ESA
"Dit is het eerste vrij zwevende zwarte gat of neutronenster dat is ontdekt met behulp van gravitationele microlensing", zei Lu. “Met microlens zijn we in staat om deze eenzame, compacte objecten te onderzoeken en te wegen. Ik denk dat we een nieuw venster hebben geopend op deze donkere objecten, die op geen enkele andere manier te zien zijn."
Door te bepalen hoeveel van deze compacte objecten het Melkwegstelsel bevolken, kunnen astronomen de evolutie van sterren begrijpen - in het bijzonder hoe ze sterven - en van onze melkweg, en misschien onthullen of een van de onzichtbare zwarte gaten oerzwarte gaten zijn, wat sommige kosmologen denken dat ze in grote hoeveelheden zijn geproduceerd tijdens de Dezelfde gegevens, andere conclusies
Met name een concurrerend team van het Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore analyseerde dezelfde microlensing-gebeurtenis en beweerde dat de massa van het compacte object dichter bij 7.1 zonsmassa's ligt en onbetwistbaar een zwart gat is. Een paper waarin de analyse door het STScI-team onder leiding van Kailash Sahu wordt beschreven, is geaccepteerd voor publicatie in The Astrophysical Journal.
Beide teams gebruikten dezelfde gegevens: fotometrische metingen van de opheldering van de verre ster terwijl het licht werd vervormd of "verlicht" door het supercompacte object, en astrometrische metingen van de verschuiving van de locatie van de verre ster aan de hemel als gevolg van de zwaartekracht. vervorming door het lensobject. De fotometrische gegevens waren afkomstig van twee onderzoeken met microlensing: het Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE), waarbij gebruik wordt gemaakt van een 1.3-meter telescoop in Chili die wordt beheerd door de Universiteit van Warschau, en het Microlensing Observations in Astrophysics (MOA)-experiment, dat is gemonteerd op een 1.8- meter telescoop in Nieuw-Zeeland beheerd door de Universiteit van Osaka. De astrometrische gegevens kwamen uit
Omdat beide microlensing-onderzoeken hetzelfde object hebben gevangen, heeft het twee namen: MOA-2011-BLG-191 en OGLE-2011-BLG-0462 of kortweg OB110462.
Terwijl onderzoeken zoals deze ongeveer 2,000 sterren ontdekken die elk jaar helderder worden door microlensing in het Melkwegstelsel, is de toevoeging van astrometrische gegevens wat de twee teams in staat stelde om de massa van het compacte object en de afstand tot de aarde te bepalen. Het door UC Berkeley geleide team schatte dat het zich tussen 2,280 en 6,260 lichtjaar (700-1920 parsec) verwijderd bevindt, in de richting van het centrum van de Melkweg en in de buurt van de grote uitstulping die het centrale massieve zwarte gat van de melkweg omringt.
De STScI-groep schatte dat het ongeveer 5,153 lichtjaar (1,580 parsec) verwijderd is.
Op zoek naar een speld in een hooiberg
Lu en Lam raakten voor het eerst geïnteresseerd in het object in 2020 nadat het STScI-team voorlopig concludeerde dat vijf microlensing-evenementen waargenomen door Hubble - die allemaal meer dan 100 dagen duurden en dus zwarte gaten zouden kunnen zijn - misschien toch niet veroorzaakt door compacte objecten.
Lu, die sinds 2008 op zoek is naar vrij zwevende zwarte gaten, dacht dat de gegevens haar zouden helpen om hun overvloed in de melkweg, die ruwweg wordt geschat op tussen de 10 miljoen en 1 miljard, beter in te schatten. Tot op heden zijn zwarte gaten ter grootte van een ster alleen gevonden als onderdeel van dubbelstersystemen. Zwarte gaten in dubbelsterren worden ofwel gezien in röntgenstraling, geproduceerd wanneer materiaal van de ster op het zwarte gat valt, ofwel door recente zwaartekrachtgolfdetectoren, die gevoelig zijn voor versmelting van twee of meer zwarte gaten. Maar deze gebeurtenissen zijn zeldzaam.
“Casey en ik zagen de gegevens en we raakten echt geïnteresseerd. We zeiden: 'Wauw, geen zwarte gaten. Dat is geweldig', ook al had dat zo moeten zijn', zei Lu. “En dus begonnen we naar de gegevens te kijken. Als er echt geen zwarte gaten in de gegevens zouden zitten, dan zou dit niet overeenkomen met ons model voor hoeveel zwarte gaten er in de Melkweg zouden moeten zijn. Er zou iets moeten veranderen in ons begrip van zwarte gaten - ofwel hun aantal of hoe snel ze bewegen of hun massa's."
Toen Lam de fotometrie en astrometrie voor de vijf microlensing-gebeurtenissen analyseerde, was ze verrast dat één, OB110462, de kenmerken had van een compact object: het lensobject leek donker en dus geen ster; de stellaire opheldering duurde lang, bijna 300 dagen; en de vervorming van de positie van de achtergrondster was ook langdurig.
De lengte van het lensevenement was de belangrijkste tip, zei Lam. In 2020 toonde ze aan dat de beste manier om naar microlenzen voor zwarte gaten te zoeken, was naar zeer lange gebeurtenissen te zoeken. Slechts 1% van de detecteerbare microlensing-gebeurtenissen is waarschijnlijk afkomstig van zwarte gaten, zei ze, dus naar alle gebeurtenissen kijken zou hetzelfde zijn als zoeken naar een speld in een hooiberg. Maar, berekende Lam, ongeveer 40% van de microlensing-gebeurtenissen die langer dan 120 dagen duren, zijn waarschijnlijk zwarte gaten.
"Hoe lang de ophelderingsgebeurtenis duurt, is een indicatie van hoe massief de lens op de voorgrond is die het licht van de achtergrondster afbuigt," zei Lam. “Lange gebeurtenissen zijn waarschijnlijker te wijten aan zwarte gaten. Het is echter geen garantie, omdat de duur van de opheldering niet alleen afhangt van hoe zwaar de voorgrondlens is, maar ook van hoe snel de voorgrondlens en de achtergrondster ten opzichte van elkaar bewegen. Door echter ook de schijnbare positie van de achtergrondster te meten, kunnen we bevestigen of de voorgrondlens echt een zwart gat is.”
Volgens Lu was de zwaartekrachtsinvloed van OB110462 op het licht van de achtergrondster verbazingwekkend lang. Het duurde ongeveer een jaar voordat de ster helderder werd tot zijn hoogtepunt in 2011, en daarna ongeveer een jaar om weer normaal te dimmen.
Meer gegevens zullen zwart gat van neutronenster onderscheiden
Om te bevestigen dat OB110462 werd veroorzaakt door een supercompact object, vroegen Lu en Lam om meer astrometrische gegevens van Hubble, waarvan sommige afgelopen oktober arriveerden. Uit die nieuwe gegevens bleek dat de verandering in positie van de ster als gevolg van het zwaartekrachtveld van de lens 10 jaar na de gebeurtenis nog steeds waarneembaar is. Verdere Hubble-waarnemingen van de microlens zijn voorlopig gepland voor de herfst van 2022.
Analyse van de nieuwe gegevens bevestigde dat OB110462 waarschijnlijk een zwart gat of een neutronenster was.
Lu en Lam vermoeden dat de verschillende conclusies van de twee teams te wijten zijn aan het feit dat de astrometrische en fotometrische gegevens verschillende maten geven van de relatieve bewegingen van de voorgrond- en achtergrondobjecten. De astrometrische analyse verschilt ook tussen de twee teams. Het door UC Berkeley geleide team stelt dat het nog niet mogelijk is om te onderscheiden of het object een zwart gat of een neutronenster is, maar ze hopen de discrepantie op te lossen met meer Hubble-gegevens en verbeterde analyse in de toekomst.
“Hoe graag we ook willen zeggen dat het definitief een zwart gat is, we moeten alle toegestane oplossingen melden. Dit omvat zowel zwarte gaten met een lagere massa als mogelijk zelfs een neutronenster”, zei Lu.
“Als je de lichtcurve, de helderheid niet kunt geloven, dan zegt dat iets belangrijks. Als je de positie versus de tijd niet gelooft, zegt dat iets belangrijks', zei Lam. “Dus als een van hen het bij het verkeerde eind heeft, moeten we begrijpen waarom. Of de andere mogelijkheid is dat wat we meten in beide datasets correct is, maar dat ons model niet klopt. De fotometrie- en astrometriegegevens komen voort uit hetzelfde fysieke proces, wat betekent dat de helderheid en positie consistent met elkaar moeten zijn. Er mist daar dus iets. ”
Beide teams schatten ook de snelheid van het supercompacte lensobject. Het Lu/Lam-team vond een relatief rustige snelheid, minder dan 30 kilometer per seconde. Het STScI-team vond een ongewoon hoge snelheid, 45 km/s, die het interpreteerde als het resultaat van een extra trap die het vermeende zwarte gat kreeg van de supernova die het voortbracht.
Lu interpreteert de lage snelheidsschatting van haar team als mogelijke ondersteuning van een nieuwe theorie dat zwarte gaten niet het resultaat zijn van supernova's - de huidige heersende veronderstelling - maar in plaats daarvan afkomstig zijn van mislukte supernova's die geen heldere plons in het universum maken of het resulterende zwart geven een schop slaan.
Referentie: "Een geïsoleerd zwart gat of neutronenster in de massa gedetecteerd met astrometrische microlensing" door Casey Y. Lam, Jessica R. Lu, Andrzej Udalski, Ian Bond, David P. Bennett, Jan Skowron, Przemek Mroz, Radek Poleski, Takahiro Sumi , Michal K. Szymanski, Szymon Kozlowski, Pawel Pietrukowicz, Igor Soszynski, Krzysztof Ulaczyk, Lukasz Wyrzykowski, Shota Miyazaki, Daisuke Suzuki, Naoki Koshimoto, Nicholas J. Rattenbury, Matthew W. Hosekbe Jr., Richard Fumio Achara , Akihiko Fukui, Hirosane Fujii, Yuki Hirao, Yoshitaka Itow, Rintaro Kirikawa, Iona Kondo, Yutaka Matsubara, Sho Matsumoto, Yasushi Muraki, Greg Olmschenk, Clement Ranc, Arisa Okamura, Yuki Satoh, Stela Ishitani Silva, Taiga Toda, Paul J. Tristram, Aikaterini Vandorou, Hibiki Yama, Natasha S. Abrams, Shrihan Agarwal, Sam Rose en Sean K. Terry, Aanvaard, De astrofysische journaalbrieven.
arXiv: 2202.01903
Het werk van Lu en Lam wordt ondersteund door de National Science Foundation (1909641) en de National Aeronautics and Space Administration (NNG16PJ26C, NASA FINESST 80NSSC21K2043).
