Als, zoals astronomen denken, de dood van grote sterren zwarte gaten achterlaat, dan zouden er honderden miljoenen van over het hele Melkwegstelsel verspreid moeten zijn. Het probleem is dat geïsoleerde zwarte gaten onzichtbaar zijn.

Nu heeft een team onder leiding van de University of California, Berkeley, astronomen voor het eerst ontdekt wat een vrij zwevend zwart gat zou kunnen zijn door het ophelderen van een verder verwijderde ster te observeren terwijl zijn licht werd vervormd door het sterke zwaartekrachtveld van het object - dus -zwaartekracht microlensing.

Het team, onder leiding van 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 zo groot is als die van de zon. 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 neutronenster zou kunnen zijn in plaats van een zwart gat. Neutronensterren zijn ook dichte, zeer compacte objecten, maar hun zwaartekracht wordt gecompenseerd door interne neutronendruk, die verdere instorting tot een zwart gat voorkomt.

Of het nu een zwart gat of een neutronenster is, het object is het eerste donkere stellaire overblijfsel - een stellaire "spook" - ontdekt dat door het melkwegstelsel dwaalt zonder paren met een andere ster.

"Dit is het eerste vrij zwevende zwarte gat of neutronenster dat is ontdekt met gravitationele microlensing," zei Lu. "Met microlens kunnen we deze eenzame, compacte objecten onderzoeken en 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 ons sterrenstelsel, en misschien onthullen of een van de onzichtbare zwarte gaten oerzwarte gaten zijn, wat sommige kosmologen denken dat ze tijdens de oerknal in grote hoeveelheden zijn geproduceerd.

De analyse van Lam, Lu en hun internationale team is geaccepteerd voor publicatie in The Astrophysical Journal Letters. De analyse omvat vier andere microlens-gebeurtenissen waarvan het team concludeerde dat ze niet werden veroorzaakt door een zwart gat, hoewel twee waarschijnlijk werden veroorzaakt door een witte dwerg of een neutronenster. Het team concludeerde ook dat de waarschijnlijke populatie van zwarte gaten in de melkweg 200 miljoen is - ongeveer wat de meeste theoretici voorspelden.

Dezelfde gegevens, andere conclusies

Met name een concurrerend team van het Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore analyseerde dezelfde microlensing-gebeurtenis en beweert 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 het ophelderen van de verre ster terwijl het licht werd vervormd of "gelensd" 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 zijn afkomstig van twee microlensonderzoeken:het Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE), dat gebruik maakt 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. metertelescoop in Nieuw-Zeeland, geëxploiteerd door de Universiteit van Osaka. De astrometrische gegevens zijn afkomstig van NASA's Hubble Space Telescope. STScI beheert het wetenschappelijke programma voor de telescoop en voert de wetenschappelijke operaties 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 tussen 2.280 en 6.260 lichtjaar (700-1920 parsec) verwijderd is, 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 (1580 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 door Hubble waargenomen microlens-gebeurtenissen - die allemaal meer dan 100 dagen duurden en dus zwarte gaten konden zijn - mogelijk niet werden veroorzaakt door compacte objecten tenslotte.

Lu, die sinds 2008 op zoek is naar vrij zwevende zwarte gaten, dacht dat de gegevens haar zouden helpen hun overvloed in de melkweg beter in te schatten, die ruwweg wordt geschat op tussen de 10 miljoen en 1 miljard. 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 samensmeltingen 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 verbazingwekkend', ook al had dat er wel 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 onze begrip van zwarte gaten - ofwel hun aantal of hoe snel ze bewegen of hun massa."

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 lens-object 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 hint van hoe massief de voorgrondlens 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 ophelderingsepisode niet alleen afhangt van hoe zwaar de voorgrondlens is, maar ook van hoe snel de voorgrondlens en de achtergrondster relatief 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 worden.

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. Die nieuwe gegevens toonden aan 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 zouden willen zeggen dat het definitief een zwart gat is, we moeten alle toegestane oplossingen melden. Dit omvat zowel zwarte gaten met een lagere massa en mogelijk zelfs een neutronenster", zei Lu.

"Als je de lichtcurve en de helderheid niet kunt geloven, zegt dat iets belangrijks. Als je de positie versus tijd niet gelooft, zegt dat iets belangrijks," zei Lam. "Dus, als een van hen fout is, moeten we begrijpen waarom. Of de andere mogelijkheid is dat wat we meten in beide datasets correct is, maar ons model is onjuist. De fotometrie- en astrometriegegevens komen voort uit hetzelfde fysieke proces, wat betekent dat de helderheid en positie consistent met elkaar moeten zijn. Er ontbreekt 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 kick die het vermeende zwarte gat kreeg van de supernova die het voortbracht.

Lu interpreteert de lage snelheidsschatting van haar team als een 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 de resulterende zwarte gaten geven een schop slaan. + Verder verkennen

Het eerste vrij zwevende zwarte gat ooit gevonden dat door de interstellaire ruimte zwierf