يكتشف علماء الفلك أقرب ثقب أسود إلى الأرض – في الفناء الخلفي الكوني

تلسكوب الجوزاء الشمالي في هاواي يكشف عن أول كتلة نجمية خامدة[{” attribute=””>black hole in our cosmic backyard.

Using the International Gemini Observatory, astronomers have discovered the closest-known black hole to Earth. This is the first unambiguous detection of a dormant stellar-mass black hole in the Milky Way. Located a mere 1600 light-years away, its close proximity to Earth offers an intriguing target of study to advance our understanding of the evolution of binary systems.

Black holes are the most extreme objects in the Universe. It is believed that supermassive versions of these unimaginably dense objects reside at the centers of all large galaxies. Stellar-mass black holes — which weigh approximately five to 100 times the mass of the Sun — are much more common. In fact, there are an estimated 100 million stellar-mass black holes in the Milky Way alone. However, only a handful have been confirmed to date, and nearly all of these are ‘active’. This means that they shine brightly in X-rays as they consume material from a nearby stellar companion, unlike dormant black holes which do not.

Astronomers have now discovered the closest black hole to Earth, which the researchers have dubbed Gaia BH1. To find it, they used the Gemini North telescope in Hawai‘i, one of the twin telescopes of the International Gemini Observatory, operated by NSF’s NOIRLab.

Gaia BH1 is a dormant black hole that is about 10 times more massive than the Sun and is located about 1600 light-years away in the constellation Ophiuchus. This means it is three times closer to Earth than the previous record holder, an X-ray binary in the constellation of Monoceros. The new discovery was made possible by making exquisite observations of the motion of the black hole’s companion, a Sun-like star that orbits the black hole at about the same distance as the Earth orbits the Sun.

https://www.youtube.com/watch؟v=sPoxWfSjOiE
تُظهر هذه الرسوم المتحركة نجمًا شبيهًا بالشمس يدور حول Gaia BH1 ، أقرب ثقب أسود إلى الأرض ، يقع على بعد حوالي 1600 سنة ضوئية. كانت الملاحظات من Gemini North ، أحد التلسكوبات المزدوجة لمرصد Gemini الدولي ، الذي تديره NSF’s NOIRLab ، حاسمة في الحد من الحركة المدارية وبالتالي كتل المكونين للنظام الثنائي ، مما سمح للفريق بتحديد الجسم المركزي على أنه ثقب أسود أكبر بعشر مرات من كتلة شمسنا. الائتمان: T. Müller (MPIA) ، PanSTARRS DR1 (KC Chambers et al. 2016) ، ESA / Gaia / DPAC

يوضح كريم البدري عالم الفيزياء الفلكية في مركز الفيزياء الفلكية: “خذ النظام الشمسي ، ضع ثقبًا أسود حيث توجد الشمس والشمس حيث توجد الأرض ، وستحصل على هذا النظام”. هارفارد وسميثسونيان ومعهد ماكس بلانك لعلم الفلك ، والمؤلف الرئيسي للورقة التي تصف هذا الاكتشاف والتي نُشرت في 2 نوفمبر في الإخطارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.

“على الرغم من وجود العديد من الاكتشافات المزعومة لأنظمة مثل هذه ، فقد تم دحض جميع هذه الاكتشافات تقريبًا لاحقًا. هذا هو أول اكتشاف لا لبس فيه لنجم شبيه بالشمس في مدار واسع حول ثقب أسود ذو كتلة نجمية في مجرتنا .

على الرغم من وجود الملايين من الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية التي تجوب مجرة ​​درب التبانة ، فقد تم اكتشاف تلك التي تم اكتشافها من خلال تفاعلاتها النشطة مع نجم مصاحب. عندما تتجه مادة من نجم قريب نحو الثقب الأسود ، فإنها تصبح شديدة الحرارة وتولد أشعة سينية قوية ونفثات من المواد. إذا كان الثقب الأسود لا يتغذى بشكل نشط (أي نائم) ، فإنه ببساطة يندمج مع محيطه.

قال البدري: “لقد بحثت عن ثقوب سوداء كامنة خلال السنوات الأربع الماضية باستخدام مجموعة واسعة من مجموعات البيانات والأساليب”. “لقد كشفت محاولاتي السابقة – ومحاولات الآخرين – عن مجموعة من الأنظمة الثنائية تتنكر في شكل ثقوب سوداء ، ولكن هذه هي المرة الأولى التي يؤتي فيها البحث ثماره.”

حدد الفريق في البداية النظام على أنه يحتمل أن يستضيف ثقبًا أسود من خلال تحليل البيانات من من وكالة الفضاء الأوروبية مركبة الفضاء جايا. التقط Gaia المخالفات الصغيرة في حركة النجم الناتجة عن جاذبية جسم هائل غير مرئي. لاستكشاف النظام بمزيد من التفصيل ، لجأ البدرى وفريقه إلى أداة Gemini Multi-Object Spectrograph في Gemini North ، والتي قست سرعة النجم المرافق أثناء دورانه حول الثقب الأسود وقدمت قياسًا دقيقًا لفترة مداره. . كانت ملاحظات متابعة الجوزاء حاسمة في تقييد الحركة المدارية وبالتالي كتل مكوني النظام الثنائي ، مما سمح للفريق بتحديد الجسم المركزي على أنه ثقب أسود أكبر بعشر مرات من شمسنا.

وأوضح البدري أن “ملاحظاتنا لتتبع الجوزاء أكدت بما لا يدع مجالاً للشك أن الثنائي يحتوي على نجم عادي وثقب أسود خامد واحد على الأقل”. “لم نتمكن من العثور على أي سيناريو فيزيائي فلكي معقول يمكن أن يفسر المدار المرصود للنظام الذي لا يتضمن ثقبًا أسود واحدًا على الأقل.”

اعتمد الفريق ليس فقط على قدرات المراقبة الرائعة لـ Gemini North ، ولكن أيضًا على قدرة Gemini على تقديم البيانات في ظل مواعيد نهائية ضيقة ، حيث لم يكن أمام الفريق سوى نافذة قصيرة لأداء ملاحظات المتابعة الخاصة به.

عندما كانت لدينا المؤشرات الأولى على احتواء النظام على ثقب أسود ، كان لدينا أسبوع واحد فقط قبل أن يكون الجسمان على مسافة قريبة في مداريهما. القياسات في هذه المرحلة ضرورية لعمل تقديرات دقيقة للكتلة في نظام ثنائي “، قال البدري. “كانت قدرة الجوزاء على تقديم الملاحظات خلال فترة زمنية قصيرة ضرورية لنجاح المشروع. إذا فاتنا تلك النافذة الضيقة ، فاضطررنا إلى الانتظار لمدة عام آخر.

تكافح النماذج الحالية لعلماء الفلك لتطور الأنظمة الثنائية لشرح كيفية حدوث التكوين الخاص لنظام Gaia BH1. على وجه التحديد ، كان النجم السلف الذي تحول لاحقًا إلى الثقب الأسود المكتشف حديثًا أكبر بعشرين مرة على الأقل من شمسنا. هذا يعني أنه كان سيعيش فقط بضعة ملايين من السنين. إذا كان النجمان يتشكلان في نفس الوقت ، فإن هذا النجم الضخم سيتحول بسرعة إلى نجم عملاق ، يتورم ويبتلع النجم الآخر قبل أن يتاح له الوقت ليصبح نجم تسلسل رئيسي حقيقي يحترق من الطاقة ، الهيدروجين مثل شمسنا.

ليس من الواضح على الإطلاق كيف يمكن للنجم ذي الكتلة الشمسية أن ينجو من هذه الحلقة ، وينتهي به الأمر كنجم يبدو طبيعيًا ، كما تشير ملاحظات الثقب الأسود الثنائي. تتنبأ جميع النماذج النظرية التي تسمح بالبقاء على قيد الحياة بأن نجم الكتلة الشمسية كان يجب أن ينتهي به الأمر في مدار أضيق بكثير مما هو مذكور بالفعل.

قد يشير هذا إلى وجود فجوات كبيرة في فهمنا لتكوين وتطور الثقوب السوداء في الأنظمة الثنائية ، كما يشير إلى وجود مجموعة غير مستكشفة من الثقوب السوداء الخاملة في الثنائيات.

واختتم البدرى بالقول: “من المثير للاهتمام أن هذا النظام لا يتكيف بسهولة مع نماذج التطور الثنائية القياسية”. “إنه يثير الكثير من الأسئلة حول كيفية تشكل هذا النظام الثنائي ، بالإضافة إلى عدد الثقوب السوداء الكامنة الموجودة هناك.”

“كجزء من شبكة من المراصد الفضائية والأرضية ، لم تقدم Gemini North دليلًا قويًا على أقرب ثقب أسود حتى الآن ، ولكن أيضًا لأول نظام من الثقوب السوداء النقية ، التي لا يعوقها الغاز الساخن. تتفاعل مع الثقب الأسود ،” قال مارتن ستيل ، مدير برنامج NSF Gemini. “في حين أن هذا يحتمل أن يكون جيدًا للاكتشافات المستقبلية لمجموعة الثقوب السوداء النائمة المتوقعة في مجرتنا ، فإن الملاحظات تترك أيضًا لغزًا يجب حله – على الرغم من التاريخ المشترك مع جارتها الغريبة ، لماذا النجم المرافق لهذا النظام الثنائي طبيعي جدًا؟ “

المرجع: “نجم شبيه بالشمس يدور حول ثقب أسود” لكريم البدري ، هانز والتر ريكس ، إليوت كواتيرت ، أندرو دبليو هوارد ، هوارد إيزاكسون ، جيم فولر ، كيث هوكينز ، كاتلين بريفيك ، كازي دبليو كيه وونج ، أنطونيو سي رودريغيز ، تشارلي كونروي ، سحر شاهاف ، تسيفي مازيه ، فريديريك أرينو ، كيفن بي بيردج ، دوليف باشي ، سيمشون فايجلر ، دانيال آر فايز ، ريس سيبرجر ، سيلفيا ألمادا مونتر وجينيفر ووينو ، 2 نوفمبر 2022 ، الإخطارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.
DOI: 10.1093 / mnras / stac3140

تم إجراء مشاهدات Gemini North وفقًا لجدول زمني تقديري للمخرج (معرف البرنامج: GN-2022B-DD-202).

يتم تشغيل مرصد الجوزاء الدولي من خلال شراكة من ستة بلدان ، بما في ذلك الولايات المتحدة من خلال مؤسسة العلوم الوطنية ، كندا من خلال المجلس القومي للبحوث في كندا ، تشيلي من خلال Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo ، البرازيل من خلال وزارة العلوم والتكنولوجيا. e Inovações ، الأرجنتين من خلال Ministerio de Ciencia ، Tecnología e Innovación ، وكوريا من خلال المعهد الكوري لعلم الفلك وعلوم الفضاء. هؤلاء المشاركون وجامعة هاواي ، التي لديها وصول منتظم إلى Gemini ، يحتفظ كل منهم بـ “مكتب الجوزاء الوطني” لدعم المستخدمين المحليين.