Astronomen haben möglicherweise ein „dunkles“ frei schwebendes Schwarzes Loch entdeckt

Wenn, wie Astronomen glauben, der Tod großer Sterne schwarze Löcher hinterlässt, müssten Hunderte Millionen von ihnen über die gesamte Milchstraße verstreut sein. Das Problem ist, dass isolierte Schwarze Löcher unsichtbar sind.

Jetzt hat ein Team unter der Leitung von Astronomen der University of California, Berkeley, zum ersten Mal entdeckt, was ein frei schwebendes Schwarzes Loch sein könnte, indem es die Aufhellung eines weiter entfernten Sterns beobachtete, als sein Licht durch das starke Gravitationsfeld des Objekts verzerrt wurde – so -Gravitations-Mikrolinsen genannt.

Das Team unter der Leitung des Doktoranden Casey Lam und Jessica Lu, außerordentliche Professorin für Astronomie an der UC Berkeley, schätzt, dass die Masse des unsichtbaren kompakten Objekts zwischen dem 1,6- und 4,4-fachen der Masse der Sonne liegt. Da Astronomen glauben, dass die Überreste eines toten Sterns schwerer als 2,2 Sonnenmassen sein müssen, um zu einem Schwarzen Loch zu kollabieren, warnen die Forscher der UC Berkeley davor, dass das Objekt ein Neutronenstern anstelle eines Schwarzen Lochs sein könnte. Neutronensterne sind ebenfalls dichte, sehr kompakte Objekte, aber ihre Schwerkraft wird durch den inneren Neutronendruck ausgeglichen, der einen weiteren Kollaps zu einem Schwarzen Loch verhindert.

Ob ein Schwarzes Loch oder ein Neutronenstern, das Objekt ist der erste dunkle Überrest eines Sterns – ein stellarer „Geist“, der entdeckt wurde, als er ohne Paarung mit einem anderen Stern durch die Galaxie wanderte.

„Dies ist das erste frei schwebende Schwarze Loch oder der erste Neutronenstern, der mit Gravitations-Mikrolinsen entdeckt wurde“, sagte Lu. „Mit Mikrolinsen können wir diese einsamen, kompakten Objekte untersuchen und wiegen. Ich denke, wir haben ein neues Fenster zu diesen dunklen Objekten geöffnet, die auf andere Weise nicht gesehen werden können.“

Die Bestimmung, wie viele dieser kompakten Objekte die Milchstraße bevölkern, wird Astronomen helfen, die Entwicklung von Sternen zu verstehen – insbesondere, wie sie sterben – und unserer Galaxie, und vielleicht zu enthüllen, ob es sich bei einigen der unsichtbaren Schwarzen Löcher um ursprüngliche Schwarze Löcher handelt, was einige Kosmologen glauben, dass sie während des Urknalls in großen Mengen produziert wurden.

Die Analyse von Lam, Lu und ihrem internationalen Team wurde zur Veröffentlichung angenommen in Die Briefe des astrophysikalischen Journals. Die Analyse umfasst vier weitere Mikrolinsenereignisse, von denen das Team zu dem Schluss kam, dass sie nicht von einem Schwarzen Loch verursacht wurden, obwohl zwei wahrscheinlich von einem Weißen Zwerg oder einem Neutronenstern verursacht wurden. Das Team kam auch zu dem Schluss, dass die wahrscheinliche Population von Schwarzen Löchern in der Galaxie 200 Millionen beträgt – ungefähr das, was die meisten Theoretiker vorhergesagt haben.

Gleiche Daten, unterschiedliche Schlussfolgerungen

Bemerkenswerterweise analysierte ein konkurrierendes Team des Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore dasselbe Mikrolinsenereignis und behauptet, dass die Masse des kompakten Objekts näher an 7,1 Sonnenmassen liegt und unbestreitbar ein Schwarzes Loch ist. Ein Papier, das die Analyse des STScI-Teams unter der Leitung von Kailash Sahu beschreibt, wurde zur Veröffentlichung angenommen in Das Astrophysikalische Journal.

Beide Teams verwendeten die gleichen Daten: photometrische Messungen der Aufhellung des fernen Sterns, da sein Licht durch das superkompakte Objekt verzerrt oder „gelinset“ wurde, und astrometrische Messungen der Verschiebung der Position des fernen Sterns am Himmel als Ergebnis der Gravitation Verzerrung durch das Linsenobjekt. Die photometrischen Daten stammen aus zwei Mikrolinsen-Durchmusterungen: dem Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE), das ein 1,3-Meter-Teleskop in Chile verwendet, das von der Universität Warschau betrieben wird, und dem Microlensing Observations in Astrophysics (MOA)-Experiment, das auf einem 1,8-Meter-Teleskop montiert ist. Meter-Teleskop in Neuseeland, betrieben von der Universität Osaka. Die astrometrischen Daten stammen vom Hubble Space Telescope der NASA. STScI verwaltet das wissenschaftliche Programm für das Teleskop und führt dessen wissenschaftlichen Betrieb durch.

Da beide Microlensing-Durchmusterungen dasselbe Objekt erfassten, hat es zwei Namen: MOA-2011-BLG-191 und OGLE-2011-BLG-0462, kurz OB110462.

Während Durchmusterungen wie diese in der Milchstraße jedes Jahr etwa 2.000 Sterne entdecken, die durch Mikrolinsen aufgehellt werden, ermöglichte die Hinzufügung astrometrischer Daten den beiden Teams, die Masse des kompakten Objekts und seine Entfernung von der Erde zu bestimmen. Das von der UC Berkeley geführte Team schätzte, dass es zwischen 2.280 und 6.260 Lichtjahre (700-1920 Parsec) entfernt liegt, in Richtung des Zentrums der Milchstraße und in der Nähe der großen Ausbuchtung, die das zentrale massive Schwarze Loch der Galaxie umgibt.

Die STScI-Gruppe schätzte, dass sie etwa 5.153 Lichtjahre (1.580 Parsec) entfernt liegt.

Auf der Suche nach der Nadel im Heuhaufen

Lu und Lam interessierten sich erstmals 2020 für das Objekt, nachdem das STScI-Team vorläufig zu dem Schluss kam, dass fünf von Hubble beobachtete Mikrolinsenereignisse – die alle mehr als 100 Tage andauerten und daher Schwarze Löcher gewesen sein könnten – möglicherweise nicht durch kompakte Objekte verursacht wurden schließlich.

Lu, die seit 2008 nach frei schwebenden Schwarzen Löchern sucht, dachte, die Daten würden ihr helfen, ihre Häufigkeit in der Galaxie besser abzuschätzen, die grob auf zwischen 10 Millionen und 1 Milliarde geschätzt wurde. Bisher wurden sterngroße Schwarze Löcher nur als Teil von Doppelsternsystemen gefunden. Schwarze Löcher in Doppelsternen werden entweder in Röntgenstrahlen gesehen, die erzeugt werden, wenn Material vom Stern auf das Schwarze Loch fällt, oder durch neuere Gravitationswellendetektoren, die empfindlich auf die Verschmelzung von zwei oder mehr Schwarzen Löchern reagieren. Aber diese Ereignisse sind selten.

„Casey und ich haben die Daten gesehen und waren wirklich interessiert. Wir sagten: ‚Wow, keine schwarzen Löcher. Das ist erstaunlich‘, obwohl es solche hätte geben sollen“, sagte Lu. „Und so fingen wir an, uns die Daten anzusehen. Wenn es wirklich keine Schwarzen Löcher in den Daten gäbe, dann würde das nicht zu unserem Modell passen, wie viele Schwarze Löcher es in der Milchstraße geben sollte. An unserem müsste sich etwas ändern Verständnis von Schwarzen Löchern – entweder ihre Anzahl oder wie schnell sie sich bewegen oder ihre Masse.

Als Lam die Photometrie und Astrometrie für die fünf Mikrolinsenereignisse analysierte, war sie überrascht, dass eines, OB110462, die Eigenschaften eines kompakten Objekts hatte: Das Linsenobjekt schien dunkel und daher kein Stern zu sein; die Sternaufhellung dauerte lange, fast 300 Tage; und die Verzerrung der Position des Hintergrundsterns hielt ebenfalls lange an.

Die Länge des Lensing-Ereignisses war der wichtigste Hinweis, sagte Lam. Im Jahr 2020 zeigte sie, dass die Suche nach Mikrolinsen von Schwarzen Löchern am besten darin besteht, nach sehr langen Ereignissen zu suchen. Nur 1 % der nachweisbaren Mikrolinsen-Ereignisse stammen wahrscheinlich von Schwarzen Löchern, sagte sie, also wäre die Betrachtung aller Ereignisse wie die Suche nach einer Nadel im Heuhaufen. Lam berechnete jedoch, dass etwa 40 % der Mikrolinsenereignisse, die länger als 120 Tage andauern, wahrscheinlich Schwarze Löcher sind.

„Wie lange das Aufhellungsereignis dauert, ist ein Hinweis darauf, wie massiv die Vordergrundlinse ist, die das Licht des Hintergrundsterns biegt“, sagte Lam. „Lange Ereignisse sind eher auf Schwarze Löcher zurückzuführen. Das ist jedoch keine Garantie, denn die Dauer der Aufhellungsepisode hängt nicht nur davon ab, wie massiv die Vordergrundlinse ist, sondern auch davon, wie schnell sich die Vordergrundlinse und der Hintergrundstern relativ bewegen Indem wir jedoch auch Messungen der scheinbaren Position des Hintergrundsterns erhalten, können wir bestätigen, ob die Vordergrundlinse wirklich ein Schwarzes Loch ist.“

Laut Lu war der Gravitationseinfluss von OB110462 auf das Licht des Hintergrundsterns erstaunlich lang. Es dauerte ungefähr ein Jahr, bis der Stern 2011 seinen Höhepunkt erreicht hatte, und dann ungefähr ein Jahr, um wieder normal zu werden.

Weitere Daten werden Schwarzes Loch von Neutronenstern unterscheiden

Um zu bestätigen, dass OB110462 von einem superkompakten Objekt verursacht wurde, baten Lu und Lam um weitere astrometrische Daten von Hubble, von denen einige letzten Oktober eintrafen. Diese neuen Daten zeigten, dass die Positionsänderung des Sterns durch das Gravitationsfeld der Linse auch 10 Jahre nach dem Ereignis noch beobachtbar ist. Weitere Hubble-Beobachtungen der Mikrolinse sind vorläufig für Herbst 2022 geplant.

Die Analyse der neuen Daten bestätigte, dass OB110462 wahrscheinlich ein Schwarzes Loch oder ein Neutronenstern war.

Lu und Lam vermuten, dass die unterschiedlichen Schlussfolgerungen der beiden Teams darauf zurückzuführen sind, dass die astrometrischen und photometrischen Daten unterschiedliche Maße für die relativen Bewegungen der Vordergrund- und Hintergrundobjekte liefern. Auch die astrometrische Analyse unterscheidet sich zwischen den beiden Teams. Das von der UC Berkeley geführte Team argumentiert, dass es noch nicht möglich sei, zu unterscheiden, ob es sich bei dem Objekt um ein Schwarzes Loch oder einen Neutronenstern handelt, aber sie hoffen, die Diskrepanz mit mehr Hubble-Daten und einer verbesserten Analyse in der Zukunft aufzulösen.

„So sehr wir auch sagen möchten, dass es sich definitiv um ein Schwarzes Loch handelt, müssen wir alle zulässigen Lösungen melden. Dazu gehören sowohl Schwarze Löcher mit geringerer Masse als auch möglicherweise sogar ein Neutronenstern“, sagte Lu.

„Wenn Sie der Lichtkurve und der Helligkeit nicht glauben können, sagt das etwas Wichtiges aus. Wenn Sie der Position gegenüber der Zeit nicht glauben, sagt Ihnen das etwas Wichtiges“, sagte Lam. „Wenn also einer von ihnen falsch ist, müssen wir verstehen, warum. Oder die andere Möglichkeit ist, dass das, was wir in beiden Datensätzen messen, richtig ist, aber unser Modell falsch ist. Die photometrischen und astrometrischen Daten stammen aus demselben physikalischen Prozess, was bedeutet, dass Helligkeit und Position übereinstimmen müssen. Da fehlt also etwas.“

Beide Teams schätzten auch die Geschwindigkeit des superkompakten Linsenobjekts. Das Lu/Lam-Team fand eine relativ behäbige Geschwindigkeit, weniger als 30 Kilometer pro Sekunde. Das STScI-Team fand eine ungewöhnlich hohe Geschwindigkeit von 45 km/s, die es als Ergebnis eines zusätzlichen Tritts interpretierte, den das angebliche Schwarze Loch von der Supernova erhielt, die es erzeugte.

Lu interpretiert die niedrige Geschwindigkeitsschätzung ihres Teams als potenzielle Unterstützung einer neuen Theorie, dass Schwarze Löcher nicht das Ergebnis von Supernovas sind – die heute vorherrschende Annahme –, sondern von gescheiterten Supernovas stammen, die im Universum kein helles Plätschern verursachen oder das resultierende Schwarz erzeugen Loch einen Kick.