Under nästan ett halvt sekel har forskare prenumererat på teorin om att när en stjärna kommer till slutet av sin livscykel, kommer den att genomgå en gravitationskollaps. Vid denna punkt, under förutsättning att tillräckligt med massa är närvarande, kommer denna kollaps att utlösa bildandet av ett svart hål. Att veta när och hur ett svart hål kommer att bildas har länge varit något som astronomer har sökt.
Och varför inte? Att kunna bevittna bildandet av svart hål skulle inte bara vara en fantastisk händelse, det skulle också leda till en skattkista av vetenskapliga upptäckter. Och enligt en nyligen genomförd studie av ett team av forskare från Ohio State University i Columbus, kan vi äntligen ha gjort just det.
Forskningsteamet leddes av Christopher Kochanek, professor i astronomi och en Eminent Scholar vid Ohio State. Med hjälp av bilder tagna av det stora binokulära teleskopet (LBT) och Hubble rymdteleskopet (HST) genomförde han och hans kollegor en serie observationer av en röd supergigant stjärna med namnet N6946-BH1.
För att bryta bildningsprocessen av svarta hål, enligt vår nuvarande förståelse av livscyklerna för stjärnor, bildas ett svart hål efter att en mycket högmassa stjärna upplever en supernova. Detta börjar när stjärnan har uttömt sin bränsleförsörjning och sedan genomgår en plötslig massförlust, där det yttre skalet på stjärnan kastas och lämnar en kvarvarande neutronstjärna.
Därefter följs elektroner som återfäster sig till vätejoner som har gjutits, vilket får en ljus uppblåsning. När vätgas-smältningen slutar börjar den stjärna återstoden att svalna och blekna; och så småningom kondenseras resten av materialet för att bilda ett svart hål.
De senaste åren har dock flera astronomer spekulerat att stjärnor i vissa fall kommer att uppleva en misslyckad supernova. I det här scenariot avslutar en mycket högmassig stjärna sin livscykel genom att förvandlas till ett svart hål utan att den vanliga massiva bristen på energi händer i förväg.
Som Ohio-teamet noterade i sin studie - med titeln "Sökningen efter misslyckade supernovaer med det stora kikerteleskopet: bekräftelse av en försvinnande stjärna" - kan detta vara vad som hände med N6946-BH1, en röd supergiant som har 25 gånger massan av vår Solen ligger 20 miljoner ljusår från jorden.
Med hjälp av information som erhållits med LBT noterade teamet att N6946-BH1 visade några intressanta förändringar i dess ljusstyrka mellan 2009 och 2015 - när två separata observationer gjordes. I bilderna 2009 visas N6946-BH1 som en ljus, isolerad stjärna. Detta överensstämde med arkivdata som HST tog tillbaka 2007.
Uppgifter som erhållits av LBT 2015 visade dock att stjärnan inte längre var synlig i den synliga våglängden, vilket också bekräftades av Hubble-data från samma år. LBT-data visade också att under flera månader under 2009 upplevde stjärnan en kort men intensiv uppblåsning, där den blev en miljon gånger ljusare än vår sol och sedan bleknade stadigt.
De konsulterade också data från Palomar Transit Factory (PTF) -undersökningen för jämförelse, liksom observationer gjorda av Ron Arbor (en brittisk amatörastronom och supernovajägare). I båda fallen visade observationerna bevis på en floss under en kort period 2009 följt av en stadig blekning.
Till slut överensstämde denna information med den misslyckade supernova-svart hålmodellen. Som professor Kochanek, huvudförfattaren till gruppens tidning - berättade för Space Magazine via e-post:
”I den misslyckade bilden av supernova / svart hål av denna händelse drivs den övergående av den misslyckade supernova. Stjärnan vi ser före evenemanget är en röd supergiant - så du har en kompakt kärna (storleken på ~ jorden) ut väteförbränningsskalet, och sedan ett enormt, puffigt utökat kuvert av mestadels väte som kan sträcka sig ut till Jupiters skala bana. Detta kuvert är mycket svagt bundet till stjärnan. När stjärnans kärna kollapsar tappar gravitationsmassan med några tiondelar av solens massa på grund av energin som transporteras av neutrino. Denna nedgång i stjärnans tyngd är tillräckligt för att skicka en svag chockvåg genom det puffiga kuvertet som skickar det bort. Detta ger en sval, luminositet (jämfört med en supernova, ungefär en miljon gånger solens ljusstyrka) övergående som varar ungefär ett år och drivs av rekombinationens energi. Alla atomerna i det puffiga kuvertet joniserades - elektroner som inte är bundna till atomer - när det utkastade kuvertet expanderar och svalnar blir alla elektroner bundna till atomerna igen, vilket frigör energin för att driva det övergående. Det vi ser i uppgifterna överensstämmer med den här bilden. ”
Naturligtvis övervägde teamet alla tillgängliga möjligheter att förklara stjärnans plötsliga ”försvinnande”. Detta inkluderade möjligheten att stjärnan var höljd i så mycket damm att dess optiska / UV-ljus absorberades och släpptes ut igen. Men som de fann, stämde detta inte med deras iakttagelser.
"Grunden är att inga modeller som använder damm för att dölja stjärnan verkligen fungerar, så det verkar som om det som finns där nu måste vara mycket mindre lysande än den tidigare stjärnan." Kochanek förklarade. "Inom ramen för den misslyckade supernovamodellen överensstämmer det resterande ljuset med det sena tidsförfallet från utsläpp från material som ansluter sig till det nybildade svarta hålet."
Naturligtvis kommer ytterligare observationer att behövas innan vi kan veta om detta var fallet eller inte. Detta skulle troligtvis innebära IR- och röntgenuppdrag, som Spitzer Space Telescope och Chandra X-ray Observatory, eller ett av de många nästa generations rymdteleskop som kommer att distribueras under de kommande åren.
Dessutom hoppas Kochanek och hans kollegor att fortsätta övervaka det möjliga svarta hålet med hjälp av LBT, och genom att åter besöka objektet med HST om ett år från och med nu. "Om det är sant, bör vi fortsätta att se föremålet försvinna med tiden," sade han.
Naturligtvis skulle denna upptäckt vara sant en aldrig tidigare skådad händelse i astronomiens historia, om det är sant. Och nyheterna har verkligen fått sin del av spänning från det vetenskapliga samfundet. Som Avi Loeb - professor i astronomi vid Harvard University - uttryckte till Space Magazine via e-post:
”Tillkännagivandet om den potentiella upptäckten av en stjärna som kollapsade för att göra ett svart hål är mycket intressant. Om det är sant kommer det att vara den första direkta utsikten över leveransrummet i ett svart hål. Bilden är ganska rörig (som alla förlossningsrum), med osäkerhet om egenskaperna hos barnet som levererades. Sättet att bekräfta att ett svart hål föddes är att upptäcka röntgenstrålar.
”Vi vet att det finns svarta hål i stjärnmassa, senast tack vare upptäckten av gravitationsvågor från deras sammanstötning av LIGO-teamet. För nästan åttio år sedan förutspådde Robert Oppenheimer och kollaboratörer att massiva stjärnor kan kollapsa till svarta hål. Nu kan vi ha de första direkta bevisen på att processen faktiskt sker i naturen.
Men naturligtvis måste vi påminna oss om att med tanke på dess avstånd, vad vi kunde bevittna med N6946-BH1 hände för 20 miljoner år sedan. Så ur det potentiella svarta hålets perspektiv är dess bildning gamla nyheter. Men för oss kan det vara en av de mest banbrytande observationerna i astronomiens historia.
Liksom rum och tid är betydelse relativt iakttagaren!
