اكتشف علماء الفلك أقرب ثقب أسود على الأرض – في الفناء الخلفي الكوني

يكشف تلسكوب الجوزاء الشمالي في هاواي عن أول كتلة نجمية نائمة[{” 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 ملاحظات Gemini North ، أحد التلسكوبات المزدوجة لمرصد الجوزاء الدولي ، الذي تديره NSF’s NOIRLab ، حاسمة لتقييد الحركة المدارية وبالتالي كتل المكونين في النظام الثنائي ، مما يسمح للفريق بتحديد الجسم المركزي باعتباره يبلغ حجم الثقب الأسود حوالي 10 أضعاف 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 في مكان 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.

بينما كان هناك العديد من الاكتشافات المزعومة لأنظمة مثل هذه ، تم دحض كل هذه الاكتشافات تقريبًا لاحقًا. هذا هو أول اكتشاف لا لبس فيه لنجم شبيه بالشمس في مدار واسع حول ثقب أسود ذي كتلة نجمية في مجرتنا “.

على الرغم من وجود الملايين من الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية التي تجوب مجرة ​​درب التبانة ، إلا أن القليل منها تم اكتشافه من خلال تفاعلاتها النشطة مع نجم مصاحب. نظرًا لأن مادة من نجم قريب تدور في اتجاه الثقب الأسود ، فإنها تصبح شديدة الحرارة وتولد أشعة سينية قوية ونفثات من المواد. إذا كان الثقب الأسود لا يتغذى بشكل نشط (أي أنه نائم) فإنه يندمج ببساطة مع محيطه.

قال البدري: “لقد كنت أبحث عن ثقوب سوداء خامدة على مدى السنوات الأربع الماضية باستخدام مجموعة واسعة من مجموعات البيانات والأساليب”. “أدت محاولاتي السابقة – بالإضافة إلى محاولات الآخرين – إلى ظهور مجموعة من الأنظمة الثنائية التي تتنكر في شكل ثقوب سوداء ، ولكن هذه هي المرة الأولى التي يؤتي فيها البحث ثماره.”

حدد الفريق في الأصل النظام على أنه يحتمل أن يستضيف ثقبًا أسود من خلال تحليل البيانات من وكالة الفضاء الأوروبية مركبة الفضاء جايا. التقط Gaia المخالفات الدقيقة 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 المكونين في النظام الثنائي ، مما سمح للفريق بتحديد الجسم المركزي على أنه ثقب أسود يبلغ حجمه حوالي 10 أضعاف كتلة شمسنا.

وأوضح البدري أن “ملاحظاتنا لمتابعة الجوزاء أكدت بما لا يدع مجالاً للشك أن الثنائي يحتوي على نجم عادي وثقب أسود خامد واحد على الأقل”. “لم نتمكن من العثور على 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 لشركة Gemini North ولكن أيضًا على قدرة Gemini على توفير البيانات في موعد نهائي ضيق ، حيث لم يكن لدى الفريق سوى فترة قصيرة لإجراء ملاحظات المتابعة الخاصة بهم.

“عندما كانت لدينا المؤشرات الأولى على احتواء النظام على ثقب أسود ، كان لدينا أسبوع واحد فقط قبل أن يكون الجسمان في أقرب مسافة فاصلة في مداريهما. القياسات في هذه المرحلة ضرورية لعمل تقديرات دقيقة للكتلة في نظام ثنائي “، قال البدري. “كانت قدرة الجوزاء على تقديم ملاحظات على نطاق زمني قصير أمرًا بالغ الأهمية لنجاح المشروع. إذا فاتنا تلك النافذة الضيقة ، فاضطررنا إلى الانتظار لعام آخر “.

يصعب الضغط بشدة على النماذج الحالية لعلماء الفلك لتطور الأنظمة الثنائية لشرح كيفية نشوء التكوين الغريب لنظام Gaia BH1. على وجه التحديد ، كان النجم السلف الذي تحول لاحقًا إلى الثقب الأسود المكتشف حديثًا أكبر بعشرين مرة على الأقل من كتلة شمسنا. هذا يعني أنها كانت ستعيش فقط بضعة ملايين من السنين. إذا تشكل كلا النجمين في نفس الوقت ، فإن هذا النجم الضخم سيتحول بسرعة إلى عملاق خارق ، ينتفخ ويبتلع النجم الآخر قبل أن يتاح له الوقت ليصبح نجمًا مناسبًا ، يحترق الهيدروجين ، متسلسلًا رئيسيًا مثل شمسنا.

ليس من الواضح على الإطلاق كيف يمكن للنجم ذي الكتلة الشمسية أن ينجو من تلك الحلقة ، وينتهي به الأمر كنجم طبيعي على ما يبدو ، 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 أكثر إحكاما مما هو ملاحظ بالفعل.

قد يشير هذا إلى وجود فجوات مهمة في فهمنا لكيفية تشكل الثقوب السوداء وتطورها في الأنظمة الثنائية ، كما يشير إلى وجود مجموعة لم يتم استكشافها بعد من الثقوب السوداء الخاملة في الثنائيات.

واختتم البدرى بالقول: “من المثير للاهتمام أن هذا النظام لا يمكن مواءمته بسهولة من خلال نماذج التطور الثنائية القياسية”. “إنه يطرح العديد من الأسئلة حول كيفية تشكل هذا النظام الثنائي ، بالإضافة إلى عدد الثقوب السوداء الكامنة الموجودة هناك.”

“كجزء من شبكة من المراصد الفضائية والأرضية ، لم يقدم Gemini North دليلًا قويًا على أقرب ثقب أسود حتى الآن فحسب ، بل قدم أيضًا أول نظام ثقب أسود أصلي ، مرتبًا بالغاز الساخن المعتاد المتفاعل مع الثقب الأسود “، قال مارتن ستيل ، مسؤول برنامج الجوزاء التابع لمؤسسة NSF. “في حين أن هذا يحتمل أن ينذر بالاكتشافات 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 المصاحب في هذا 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 ملاحظات Gemini North كجزء من برنامج الوقت التقديري 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 لعلوم الفضاء والفلك. هؤلاء المشاركون وجامعة هاواي ، التي لديها وصول منتظم إلى Gemini ، يحتفظ كل منهم بـ “مكتب الجوزاء الوطني” لدعم المستخدمين المحليين.