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天文学家可能检测到一个“黑暗”的自由浮动黑洞

黑洞翘曲时空的插图

黑洞本质上是看不见的,除非是恒星双星的一部分或被吸积盘包围。大多数恒星大小的黑洞不是,但天文学家一直在通过引力微透镜事件来寻找它们,其中黑洞会照亮和扭曲恒星向银河中心的光线。加州大学伯克利分校领导的团队可能已经发现了第一个自由浮动的黑洞,尽管需要更多数据来排除中子星。

如果像天文学家认为的那样,大恒星的死亡留下了黑洞,那么应该有数亿颗黑洞散布在整个银河系中。问题是,孤立的黑洞是看不见的。

现在,由加州大学伯克利分校领导的一个团队,天文学家首次通过观察一颗更远的恒星的亮度,发现了可能是一个自由浮动的黑洞,因为它的光被该物体的强引力场(所谓的引力微透镜)扭曲。

该团队由研究生CaseyLam和加州大学伯克利分校天文学副教授JessicaLu领导,估计这个看不见的紧凑天体的质量是太阳的1.6到4.4倍。由于天文学家认为,死星的残留物必须重于2.2太阳质量才能坍缩成黑洞,加州大学伯克利分校的研究人员警告说,该天体可能是中子星,而不是黑洞。中子星也是致密、高度紧凑的物体,但它们的引力由内部中子压力平衡,这防止进一步坍缩成黑洞。

无论是黑洞还是中子星,该物体都是第一个发现的与另一颗恒星不配对的在银河系中徘徊的暗恒星残骸——恒星“幽灵”。

Lu说,这是第一颗通过引力微透镜发现的自由浮动黑洞或中子星。通过微透镜,我们能够探测这些孤独、紧凑的物体并称重它们。我认为我们已经打开了这些黑暗物体的新窗口,这在其他方面都看不到。”

确定这些紧凑型物体中有多少位于银河系中,将有助于天文学家了解恒星的演化——特别是它们是如何死亡的——以及我们银河系的演变,并可能揭示任何看不见的黑洞是否是原始黑洞,一些宇宙学家认为这些黑洞是在大爆炸期间大量产生的。

林、卢及其国际团队的分析已被接受发表在《天体物理学期刊通讯》上。该分析包括其他四个微透镜事件,该小组得出结论,这些事件不是由黑洞引起的,尽管其中两个事件可能是由白矮星或中子星引起的。该团队还得出结论,银河系中黑洞的可能数量为2亿——这是大多数理论家预测的。

相同的数据,不同的结论

值得注意的是,巴尔的摩空间望远镜科学研究所(STScI)的一个竞争团队分析了相同的微透镜事件,并声称紧凑物体的质量接近7.1太阳质量,无疑是一个黑洞。由KailashSahu领导的STScI团队分析的一篇论文已被接受发表在《天体物理学杂志》上。

两个团队都使用相同的数据:超紧凑天体扭曲或“透镜”远处恒星亮度的光度测量,以及透镜物体引力失真导致远处恒星在天空中位置变化的天体测量。光度数据来自两次微透镜调查:光学引力透镜实验(OGLE),该实验使用华沙大学在智利运营的1.3米望远镜;以及安装在新西兰大阪大学运营的1.8米望远镜上的天体物理学微透镜观测(MOA)实验。天体测量数据来自美国宇航局的哈勃太空望远镜。STScI管理望远镜的科学项目并进行科学操作。

由于两个微透镜调查都捕获了相同的物体,它有两个名称:MOA-2011-BLG-191和OGLE-2011-BLG-0462,简称OB110462。

虽然像这样的调查发现银河系每年有大约2000颗恒星通过微透镜照亮,但天体测量数据的添加使这两个团队能够确定紧凑物体的质量及其与地球的距离。加州大学伯克利分校领导的团队估计,它位于2280至6260光年(700-1920秒差距)之外,朝银河系中心方向,靠近银河系中央大质量黑洞周围的大隆起。

STScI集团估计,它位于大约5153光年(1,580秒差距)之外。

在干草堆里找针

Lu和Lam于2020年首次对该物体感兴趣,此前STScI团队初步得出结论,哈勃观察到的五次微透镜事件——所有这些事件都持续了100多天,因此可能是黑洞——可能根本不是由紧凑型物体引起的。

Lu自2008年以来一直在寻找自由浮动的黑洞,她认为这些数据将有助于她更好地估计它们在银河系中的丰度,估计约为1000万到10亿。迄今为止,仅作为双星系统的一部分发现了恒星大小的黑洞。双星中的黑洞要么在X射线中看到,当恒星的物质落到黑洞上时产生,要么在最近的引力波探测器中看到,这些探测器对两个或两个以上黑洞的合并很敏感。但这些事件很少见。

“Casey和我看到了数据,我们非常感兴趣。我们说,‘哇,没有黑洞。这太神奇了,即使应该有,”Lu说。因此,我们开始查看数据。如果数据中真的没有黑洞,那么这与我们的模型不匹配银河系中应该有多少黑洞。我们对黑洞的理解必须有所改变——要么是黑洞的数量,要么是它们移动的速度,要么是质量。”

当林分析五个微透镜事件的光度测量和天体测量时,她惊讶于其中一个,OB110462,具有紧凑物体的特征:透镜物体看起来很暗,因此不是恒星;恒星亮度持续了很长时间,近300天;背景恒星位置的扭曲也是持久的。

林说,镜头事件的长度是主要的提示。2020年,她表明,搜索黑洞微镜的最佳方法是寻找非常长的事件。她说,只有1%的可检测到的微透镜事件可能来自黑洞,因此查看所有事件就像在干草堆中寻找针头。但是,Lam计算出,大约40%的持续超过120天的微透镜事件可能是黑洞。

Lam说,亮度事件持续多久,这暗示了前景镜头弯曲背景恒星光线的体积有多大。由于黑洞,长期事件更有可能发生。然而,这并不能保证,因为亮片的持续时间不仅取决于前景镜头有多大,还取决于前景镜头和背景恒星相对移动的速度。然而,通过测量背景恒星的视位置,我们可以确认前景镜头是否真的是一个黑洞。”

根据Lu的说法,OB110462对背景恒星光的引力影响惊人地长。这颗恒星花了大约一年时间才在2011年亮到峰值,然后大约一年时间才变回正常状态。

更多数据将区分黑洞和中子星

为了确认OB110462是由一个超紧凑的物体引起的,Lu和Lam要求哈勃提供更多天体测量数据,其中一些于去年10月到达。新数据显示,在事件发生10年后,仍然可以观察到透镜引力场导致恒星位置的变化。哈勃望远镜对微透镜的进一步观测暂定于2022年秋季进行。

对新数据的分析证实,OB110462可能是黑洞或中子星。

Lu和Lam怀疑,这两个团队得出的不同结论是由于天体测量和光度数据对前景和背景物体的相对运动给出了不同的测量。两支球队的天体测量分析也不同。加州大学伯克利分校领导的团队认为,目前还无法区分该物体是黑洞还是中子星,但他们希望在未来解决与更多哈勃数据的差异,并改进分析。

“尽管我们想说这绝对是一个黑洞,但我们必须报告所有允许的解决方案。这包括质量较低的黑洞,甚至可能包括中子星,”Lu说。

“如果你不能相信光的曲线,亮度,那么这说明了一些重要的事情。如果你不相信这个位置与时间,这会告诉你一些重要的事情,”林说。因此,如果其中一个是错的,我们必须理解为什么。或者另一种可能性是,我们在两个数据集中测量的内容是正确的,但我们的模型是不正确的。光度测量和天体测量数据来自相同的物理过程,这意味着亮度和位置必须相互一致。所以,那里少了点东西。"

两支球队还估计了超紧凑型透镜物体的速度。Lu/Lam团队发现速度相对稳定,不到每秒30公里。STScI团队发现了异常大的速度,45公里/秒,并将其解释为所谓的黑洞从产生它的超新星那里得到的额外踢腿的结果。

Lu将她的团队的低速估计解释为可能支持一种新理论,即黑洞不是超新星的结果——今天的假设——而是来自失败的超新星,这些超新星不会在宇宙中发出明亮的飞溅或踢出的黑洞。

Lu和Lam的工作得到了国家科学基金会(1909641)和国家航空航天局(NNG16PJ26C,NASAFINESST80NSSC21K2043)的支持。

posted @ 22-06-28 02:52 作者:admin  阅读:

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