Para astronom mungkin telah menemukan panas ‘gelap’

Jika kematian bintang besar meninggalkan lubang hitam, seperti yang diyakini para astronom, seharusnya ada ratusan juta dari mereka tersebar di seluruh Bima Sakti. Masalahnya adalah lubang hitam yang terisolasi tidak terlihat.

Sekarang, sebuah tim yang dipimpin oleh University of California, Berkeley, para astronom telah menemukan untuk pertama kalinya apa yang bisa menjadi lubang hitam yang mengambang bebas dengan mengamati kecerahan bintang yang jauh karena cahayanya terdistorsi oleh medan gravitasi objek yang kuat – oleh karena itu – disebut gayaberat mikro.

Tim ini dipimpin oleh mahasiswa pascasarjana Casey Lam dan Jessica LowSeorang profesor astronomi di University of California, Berkeley, memperkirakan bahwa massa benda padat yang tak terlihat itu adalah antara 1,6 dan 4,4 kali massa Matahari. Karena para astronom percaya bahwa sisa-sisa bintang mati harus lebih berat dari 2,2 massa matahari untuk runtuh ke dalam lubang hitam, peneliti UC Berkeley memperingatkan bahwa objek itu bisa menjadi bintang neutron daripada lubang hitam. Bintang neutron juga merupakan objek yang sangat padat dan kompak, tetapi gravitasinya seimbang dengan tekanan neutron internal, yang mencegah keruntuhan lebih lanjut ke dalam lubang hitam.

Entah itu lubang hitam atau bintang neutron, objek tersebut adalah sisa bintang gelap pertama – “hantu” bintang – yang ditemukan berkeliaran di galaksi yang tidak terkait dengan bintang lain.

“Ini adalah lubang hitam terapung atau bintang neutron pertama yang dideteksi oleh lensa mikrogravitasi,” kata Lu. “Dengan menggunakan lensa yang lebih halus, kita dapat memeriksa dan menimbang objek yang terisolasi dan terkompresi ini. Saya pikir kita telah membuka jendela baru pada objek gelap ini, yang tidak dapat dilihat dengan cara lain.”

Menentukan berapa banyak benda padat yang menghuni Bima Sakti akan membantu para astronom memahami evolusi bintang — khususnya, bagaimana mereka mati — dan evolusi galaksi kita, yang mungkin mengungkapkan apakah ada lubang hitam tak terlihat yang merupakan lubang hitam purba, yang ia mempertimbangkan Beberapa kosmolog percaya bahwa jumlah besar diproduksi selama Big Bang.

Analisis oleh Lam, Lu dan tim internasional mereka telah diterima untuk dipublikasikan di Surat Jurnal Astrofisika. Analisis tersebut mencakup empat peristiwa mikro-lensa lainnya yang tim simpulkan tidak disebabkan oleh lubang hitam, meskipun dua kemungkinan disebabkan oleh katai putih atau bintang neutron. Tim juga menyimpulkan bahwa kemungkinan jumlah lubang hitam di galaksi adalah 200 juta – seperti yang diperkirakan kebanyakan ahli teori.

Data yang sama, kesimpulan yang berbeda

Khususnya, tim pesaing dari Space Telescope Science Institute (STScI) di Baltimore menganalisis peristiwa pelensaan mikro yang sama dan mengklaim bahwa massa objek kompak itu lebih dekat dengan 7,1 massa matahari dan lubang hitam yang tak terbantahkan. Makalah yang menjelaskan analisis oleh tim STScI yang dipimpin oleh Kailash Sahutelah diterima untuk diterbitkan di Jurnal Astrofisika.

Kedua tim menggunakan data yang sama: pengukuran fotometrik kecerahan bintang jauh karena cahayanya terdistorsi atau “dipantulkan” oleh objek yang sangat padat, dan pengukuran astronomis dari perubahan posisi bintang jauh di langit sebagai akibat gravitasi. distorsi oleh objek lensa. Data optik berasal dari dua survei lensa mikro: Eksperimen Lensa Gravitasi Optik (OGLE), yang menggunakan teleskop 1,3 meter di Chili yang dioperasikan oleh Universitas Warsawa, dan pengamatan Lensa Mikro dalam Astrofisika (MOA), yang dipasang pada lensa 1,8 teleskop -meter di Selandia Baru yang dioperasikan oleh Universitas Warsawa Universitas Osaka. Data astronomi berasal dari Teleskop Luar Angkasa Hubble NASA. STScI mengelola program sains teleskop dan melakukan operasi sainsnya.

Karena kedua lensa pengintaian presisi menangkap objek yang sama, lensa ini memiliki dua nama: MOA-2011-BLG-191 dan OGLE-2011-BLG-0462, atau disingkat OB110462.

Sementara survei seperti ini menemukan sekitar 2.000 bintang terang dengan lensa mikro setiap tahun di Bima Sakti, penambahan data astronomi yang memungkinkan kedua tim untuk menentukan massa dan jarak objek kompak dari Bumi. Tim yang dipimpin oleh University of California, Berkeley, memperkirakan bahwa itu terletak antara 2.280 dan 6260 tahun cahaya (700-1920 parsec), menuju pusat Bima Sakti dan dekat tonjolan besar yang mengelilingi pusat galaksi hitam supermasif. lubang.

Cluster STScI diperkirakan berjarak sekitar 5.153 tahun cahaya (1.580 parsec).

Aku mencari jarum di tumpukan jerami

Lou dan Lam pertama kali tertarik pada tubuh pada tahun 2020 setelah tim STScI awalnya menyimpulkan bahwa Lima acara pelensaan mikro Yang diamati oleh Hubble – yang semuanya telah berlangsung selama lebih dari 100 hari, dan karena itu bisa jadi lubang hitam – mungkin tidak disebabkan oleh benda padat sama sekali.

Lu, yang telah mencari lubang hitam yang bergerak bebas sejak 2008, berpikir bahwa data tersebut akan membantunya memperkirakan dengan lebih baik kelimpahan mereka di galaksi, yang secara kasar diperkirakan antara 10 juta dan 1 miliar. Sejauh ini, lubang hitam seukuran bintang hanya ditemukan sebagai bagian dari sistem bintang biner. Lubang hitam terlihat dalam biner baik dalam sinar-X, yang dihasilkan ketika material dari bintang jatuh ke lubang hitam, atau oleh detektor gelombang gravitasi modern, yang sensitif terhadap penggabungan dua atau lebih lubang hitam. Tapi peristiwa ini jarang terjadi.

“Casey dan saya melihat data dan menjadi sangat tertarik. Kami berkata, ‘Wow, tidak ada lubang hitam,'” kata Lu. Itu luar biasa, “walaupun seharusnya ada.” “Jadi, kami mulai melihat datanya. Jika memang tidak ada lubang hitam dalam data, ini tidak akan cocok dengan model kami tentang berapa banyak lubang hitam yang seharusnya ada di Bima Sakti. Sesuatu harus berubah dalam pemahaman tentang lubang hitam—baik jumlah, kecepatan, atau massanya.”

Ketika Lahm menganalisis fotometrik dan astrometri peristiwa lensa lima menit, saya terkejut bahwa satu, OB110462, memiliki karakteristik bodi kompak: bodi lensa tampak gelap, dan karenanya bukan bintang; kecerahan bintang berlangsung lama, hampir 300 hari; Distorsi posisi bintang latar juga bersifat jangka panjang.

Lamm mengatakan lamanya acara lensa adalah tip utama. Pada tahun 2020, itu menunjukkan bahwa cara terbaik untuk mencari lensa mikro lubang hitam adalah dengan mencari peristiwa yang sangat panjang. Hanya 1% dari peristiwa lensa menit yang dapat dideteksi kemungkinan berasal dari lubang hitam, katanya, jadi melihat semua peristiwa itu seperti mencari jarum di tumpukan jerami. Namun, menurut Lamm, sekitar 40% peristiwa pelensaan mikro yang berlangsung lebih dari 120 hari kemungkinan besar adalah lubang hitam.

“Berapa lama peristiwa terang berlangsung adalah petunjuk seberapa besar lensa latar depan membelokkan cahaya bintang latar belakang,” kata Lamm. “Peristiwa yang lebih lama kemungkinan besar disebabkan oleh lubang hitam. Ini bukan jaminan, karena durasi cincin terang tidak hanya bergantung pada seberapa besar lensa latar depan, tetapi juga pada seberapa cepat lensa latar depan dan bintang latar belakang bergerak relatif terhadap Namun, dengan juga memperoleh pengukuran Untuk posisi nyata bintang latar belakang, kami dapat memastikan apakah lensa latar depan benar-benar sebuah lubang hitam.”

Menurut Lu, efek gravitasi OB110462 pada cahaya bintang latar belakang sangat panjang. Butuh waktu sekitar satu tahun bagi bintang tersebut untuk mencapai puncaknya pada tahun 2011, dan kemudian sekitar satu tahun untuk kembali normal.

Lebih banyak data akan membedakan lubang hitam dari bintang neutron

Untuk mengkonfirmasi bahwa OB110462 dihasilkan dari objek yang sangat kompak, Low dan Lam meminta lebih banyak data astronomi dari Hubble, beberapa di antaranya tiba Oktober lalu. Data baru ini menunjukkan bahwa perubahan posisi bintang akibat medan gravitasi lensa masih bisa diamati 10 tahun setelah peristiwa itu. Lebih banyak pengamatan Hubble tentang pelensaan mikro dijadwalkan untuk sementara pada musim gugur 2022.

Analisis data baru menegaskan bahwa OB110462 kemungkinan besar adalah lubang hitam atau bintang neutron.

Low dan Lam menduga bahwa kesimpulan yang berbeda dari kedua tim disebabkan oleh fakta bahwa data astronomi dan fotometrik memberikan ukuran yang berbeda dari gerakan relatif objek depan dan belakang. Analisis astrologi juga berbeda antara kedua tim. Tim UC Berkeley berpendapat bahwa belum mungkin untuk membedakan apakah objek tersebut adalah lubang hitam atau bintang neutron, tetapi mereka berharap untuk menyelesaikan perbedaan tersebut dengan lebih banyak data Hubble dan analisis yang lebih baik di masa depan.

“Sebanyak yang kami katakan secara pasti itu adalah lubang hitam, kami harus melaporkan semua solusi yang diizinkan. Ini termasuk lubang hitam bermassa lebih rendah dan bahkan mungkin sebuah bintang neutron,” kata Lu.

“Jika Anda tidak dapat mempercayai kurva cahaya, kecerahan, itu berarti sesuatu yang penting. Jika Anda tidak dapat mempercayai situasi versus waktu, itu memberi tahu Anda sesuatu yang penting,” kata Lamm. “Jadi, jika salah satunya salah, kita harus memahami alasannya. Atau kemungkinan lain adalah bahwa apa yang kita ukur dalam dua kumpulan data itu benar, tetapi model kita salah. Data fotometrik dan astrometri berasal dari proses fisik yang sama, yang berarti kecerahan dan posisi harus konsisten. Satu sama lain. Jadi, ada yang kurang di sana.”

Kedua kelompok juga memperkirakan kecepatan badan lensa ultrafine. Tim Lu/Lam menemukan kecepatan yang relatif sedang, kurang dari 30 kilometer per detik. Tim STScI menemukan kecepatan luar biasa tinggi, 45 km/s, yang mereka tafsirkan sebagai hasil tendangan ekstra yang disebut lubang hitam dari supernova yang dihasilkannya.

Low menafsirkan perkiraan kecepatan rendah timnya sebagai dukungan yang mungkin untuk teori baru bahwa lubang hitam bukanlah hasil dari supernova – asumsi yang berlaku saat ini – tetapi berasal dari supernova yang gagal yang tidak membuat percikan terang di alam semesta atau memberikan hasil. lubang hitam sebuah tendangan.

Pekerjaan Lu dan Lam didukung oleh National Science Foundation (1909641) dan National Aeronautics and Space Administration (NNG16PJ26C, NASA FINNESS 80NSSC21K2043).