Astronomen hebben het beste bewijs gevonden voor de dader van een kosmische moord:een zwart gat van een ongrijpbare klasse die bekend staat als "middelmatige massa, " die zijn bestaan ​​verraadde door een eigenzinnige ster die te dichtbij kwam te verscheuren.

Met een gewicht van ongeveer 50, 000 keer de massa van onze zon, het zwarte gat is kleiner dan de superzware zwarte gaten (met miljoenen of miljarden zonsmassa's) die in de kernen van grote sterrenstelsels liggen, maar groter dan stellaire zwarte gaten gevormd door de ineenstorting van een massieve ster.

Deze zogenaamde intermediaire zwarte gaten (IMBH's) zijn een lang gezochte "ontbrekende schakel" in de evolutie van zwarte gaten. Hoewel er een paar andere IMBH-kandidaten zijn geweest, onderzoekers beschouwen deze nieuwe waarnemingen als het sterkste bewijs tot nu toe voor middelgrote zwarte gaten in het universum.

Het kostte de gecombineerde kracht van twee röntgenobservatoria en de scherpe visie van NASA's Hubble-ruimtetelescoop om het kosmische beest vast te pinnen.

"Zwarte gaten met gemiddelde massa zijn zeer ongrijpbare objecten, en daarom is het van cruciaal belang om voor elke kandidaat zorgvuldig alternatieve verklaringen te overwegen en uit te sluiten. Dat is wat Hubble ons heeft laten doen voor onze kandidaat, " zei Dacheng Lin van de Universiteit van New Hampshire, hoofdonderzoeker van het onderzoek. De resultaten worden op 31 maart gepubliceerd, 2020, in de Astrofysische journaalbrieven .

Het verhaal van de ontdekking leest als een Sherlock Holmes-verhaal, waarbij de nauwgezette stap-voor-stap case-building nodig is om de dader te pakken te krijgen.

Lin en zijn team gebruikten Hubble om aanwijzingen van NASA's Chandra X-ray Observatory en ESA's (de European Space Agency) X-ray Multi-Mirror Mission (XMM-Newton) op te volgen. In 2006 detecteerden deze satellieten een krachtige uitbarsting van röntgenstraling, maar ze konden niet bepalen of het van binnen of buiten ons melkwegstelsel kwam. Onderzoekers schreven het toe aan een ster die uit elkaar werd gescheurd nadat hij te dicht bij een zwaartekracht krachtig compact object was gekomen. als een zwart gat.

Verrassend genoeg, de röntgenbron, genaamd 3XMM J215022.4?055108, bevond zich niet in het centrum van een melkwegstelsel, waar massieve zwarte gaten normaal zouden verblijven. Dit wekte de hoop dat een IMBH de boosdoener was, maar eerst moest een andere mogelijke bron van de röntgenstraling worden uitgesloten:een neutronenster in ons eigen Melkwegstelsel, afkoelen na verhitting tot een zeer hoge temperatuur. Neutronensterren zijn de verbrijzelde overblijfselen van een geëxplodeerde ster.

Hubble werd op de röntgenbron gericht om de precieze locatie te bepalen. Diep, beeldvorming met hoge resolutie levert sterk bewijs dat de röntgenstralen niet afkomstig zijn van een geïsoleerde bron in onze melkweg, maar in plaats daarvan in een verre, dichte sterrenhoop aan de rand van een ander sterrenstelsel - precies het soort plaats dat astronomen verwachtten een IMBH te vinden. Eerder onderzoek van Hubble heeft aangetoond dat de massa van een zwart gat in het centrum van een melkwegstelsel evenredig is met de centrale uitstulping van dat gastmelkwegstelsel. Met andere woorden, hoe massiever de melkweg, hoe massiever het zwarte gat is. Daarom, de stercluster die de thuisbasis is van 3XMM J215022.4?055108 is mogelijk de uitgeklede kern van een dwergstelsel met een lagere massa dat door de zwaartekracht en de getijden is verstoord door zijn nauwe interacties met zijn huidige grotere sterrenstelsel.

IMBH's waren bijzonder moeilijk te vinden omdat ze kleiner en minder actief zijn dan superzware zwarte gaten; ze hebben geen gemakkelijk beschikbare brandstofbronnen, noch zo'n sterke aantrekkingskracht om sterren en ander kosmisch materiaal te trekken dat veelbetekenende röntgenstralen zou produceren. Astronomen moeten in wezen een IMBH op heterdaad betrappen bij het opslokken van een ster. Lin en zijn collega's hebben het XMM-Newton-gegevensarchief doorzocht, honderdduizenden observaties doorzoeken om één IMBH-kandidaat te vinden.

Dankzij de röntgengloed van de versnipperde ster konden astronomen de massa van het zwarte gat schatten op 50, 000 zonsmassa's. The mass of the IMBH was estimated based on both X-ray luminosity and the spectral shape. "This is much more reliable than using X-ray luminosity alone as typically done before for previous IMBH candidates, " said Lin. "The reason why we can use the spectral fits to estimate the IMBH mass for our object is that its spectral evolution showed that it has been in the thermal spectral state, a state commonly seen and well understood in accreting stellar-mass black holes."

This object isn't the first to be considered a likely candidate for an intermediate-mass black hole. In 2009 Hubble teamed up with NASA's Swift observatory and ESA's XMM-Newton to identify what is interpreted as an IMBH, called HLX-1, located towards the edge of the galaxy ESO 243-49. It too is in the center of a young, massive cluster of blue stars that may be a stripped-down dwarf galaxy core. The X-rays come from a hot accretion disk around the black hole. "The main difference is that our object is tearing a star apart, providing strong evidence that it is a massive black hole, instead of a stellar-mass black hole as people often worry about for previous candidates including HLX-1, " Lin said.

Finding this IMBH opens the door to the possibility of many more lurking undetected in the dark, waiting to be given away by a star passing too close. Lin plans to continue his meticulous detective work, using the methods his team has proved successful. Many questions remain to be answered. Does a supermassive black hole grow from an IMBH? How do IMBHs themselves form? Are dense star clusters their favored home?