Svarta hål är en av naturens mest häftiga och mystiska krafter. Samtidigt är de grundläggande för vår förståelse av astrofysik. Svarta hål är inte bara resultatet av särskilt massiva stjärnor som går supernova i slutet av deras liv, de är också nyckeln till vår förståelse av allmän relativitet och tros ha spelat en roll i kosmisk evolution.
På grund av detta har astronomer försökt skapa en folkräkning av svarta hål i Vintergalaxen under många år. Ny forskning indikerar dock att astronomer kan ha förbisett en hel klass svarta hål. Detta kommer från en ny upptäckt där ett team av astronomer observerade ett svart hål som är drygt tre solmassor, vilket gör det till det minsta svarta hålet som hittills upptäckts.
Studien, "Ett icke-interaktivt lågmassat svart hål - gigantiskt stjärnbinsystem", dykte nyligen upp i tidskriften Vetenskap. Det ansvariga teamet leddes av astronomer från Ohio State University och inkluderade medlemmar från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, The Observatories of the Carnegie Institution for Science, Dark Cosmology Center, och flera observatorier och universitet.
Upptäckten var särskilt anmärkningsvärd eftersom den identifierade ett objekt som astrofysiker tidigare inte visste att fanns. Som ett resultat tvingas forskarna nu att ompröva vad de trodde att de visste om befolkningen av svarta hål i vår galax. Som Todd Thompson, professor i astronomi vid Ohio State University och huvudförfattare till studien, förklarade:
"Vi visar detta antydande om att det finns en annan befolkning där ute som vi ännu inte måste undersöka i jakten på svarta hål. Människor försöker förstå supernovaexplosioner, hur supermassiva svarta stjärnor exploderar, hur elementen bildades i supermassiva stjärnor. Så om vi kunde avslöja en ny population av svarta hål, skulle den berätta mer om vilka stjärnor som exploderar, vilka inte, vilka som bildar svarta hål, som bildar neutronstjärnor. Det öppnar ett nytt studieområde. ”
På grund av det inflytande de har på rum och tid har astronomer länge letat efter svarta hål och neutronstjärnor. Eftersom det också är vad som resulterar när stjärnor dör, kan de också ge information om livscyklerna för stjärnor och hur element bildas. För att göra det måste astronomer först bestämma var svarta hål finns i vår galax, vilket kräver att de vet vad de ska leta efter.
Ett sätt att hitta dem är att leta efter binära system, där två stjärnor är låsta i bana med varandra på grund av deras ömsesidiga allvar. När en av dessa stjärnor genomgår gravitationskollaps nära slutet av sitt liv, kommer den antingen att kollapsa för att bilda en neutronstjärna eller ett svart hål. Om den följeslagna stjärnan har nått Red Branch Phase (RBP) för dess utveckling, kommer den att expandera avsevärt.
Denna expansion kommer att resultera i att den röda jätten blir föremål för sitt svarta hål eller neutronstjärna. Detta kommer att resultera i att material dras från förstens yta och långsamt konsumeras av det senare. Detta bevisas av värmen och röntgenstrålarna som släpps ut när material från stjärnan anbringas på dess svarta hålkamrat.
Fram till nu var alla svarta hål i vår galax som identifierats av astronomer mellan fem och femton solmassor. Neutronstjärnor är däremot i allmänhet inte större än cirka 2,1 solmassor, eftersom allt större än 2,5 solmassor skulle kollapsa för att bilda ett svart hål. När LIGO och Virgo gemensamt upptäckte gravitationsvågor orsakade av en sammanslagning av svart hål, var de 31 respektive 25 solmassor.
Detta visade att svarta hål kunde uppstå utanför vad astronomer ansåg vara det normala området. Som Thompson sa:
"Omedelbart var alla som" wow "eftersom det var en så spektakulär sak. Inte bara för att det bevisade att LIGO fungerade, utan för att massorna var enorma. Svarta hål i storleken är en stor sak - vi hade inte sett dem förut. ”
Denna upptäckt inspirerade Thompson och hans kollegor att överväga möjligheten att det kan finnas oupptäckta föremål som bodde mellan de största neutronstjärnorna och de minsta svarta hålen. För att undersöka detta började de kombinera data från Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment (APOGEE) - en astronomisk undersökning som samlar spektra från cirka 100 000 stjärnor över galaxen.
Thompson och hans kollegor undersökte detta spektra för tecken på förändringar som skulle indikera om en stjärna kan kretsa runt ett annat objekt. Specifikt, om en stjärna visade tecken på Doppler-förskjutning - där dess spektra kommer att växla mellan att växla mot den blåare änden och sedan rödare våglängder - skulle detta vara en indikation på att det kan kretsa om en osynlig följeslagare.
Denna metod är ett av de mest effektiva och populära sättet att avgöra om en stjärna har ett kretsloppssystem av planeter. När planeter kretsar runt en stjärna utövar de en gravitationskraft på den som får den att röra sig fram och tillbaka. Samma typ av skift användes av Thompson och hans kollegor för att avgöra om någon av APOGEE-stjärnorna kan kretsa runt ett svart hål.
Det började med att Thompson minskade APOGEE-uppgifterna till 200 kandidater som visade sig vara de mest intressanta. Han gav sedan uppgifterna till Tharindu Jayasinghe (en forskarassistent vid Ohio State) som sedan använde data från All-Sky Automated Survey for Supernovae (ASAS-SN) - som drivs av OSU och hittade över 1 000 supernovaer - för att sammanställa tusentals av bilder av varje kandidat.
Detta avslöjade en gigantisk röd stjärna som verkade kretsa om något som var mycket mindre än något känt svart hål, men mycket större än några kända neutronstjärnor. Efter att ha kombinerat resultaten med ytterligare data från Tillinghast Reflector Echelle Spectrograph (TRES) och Gaia-satelliten, insåg de att de hade hittat ett svart hål ungefär 3,3 gånger solens massa.
Detta resultat bekräftar inte bara förekomsten av en ny klass av svartmassa med låg massa, utan det gav också en ny metod för att lokalisera dem. Som Thompson förklarade:
"Vad vi har gjort här är att hitta ett nytt sätt att söka efter svarta hål, men vi har också potentiellt identifierat en av de första i en ny klass med svarta hål med låg massa som astronomer inte tidigare hade känt till. Massorna av saker berättar om deras bildning och utveckling, och de berättar om sin natur. ”
