Para astronom menemukan lubang hitam terdekat dengan Bumi – di halaman belakang kosmik kita

Teleskop Gemini Utara di Hawaii mengungkapkan massa bintang pertama yang diam[{” 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.

Animasi ini menunjukkan bintang mirip Matahari yang mengorbit Gaia BH1, lubang hitam terdekat dengan Bumi, yang terletak sekitar 1600 tahun cahaya. Pengamatan dari Gemini North, salah satu teleskop kembar Observatorium Gemini Internasional yang dioperasikan oleh NOIRLab NSF, sangat penting dalam membatasi gerakan orbital dan oleh karena itu massa dua komponen dalam sistem biner, memungkinkan tim untuk mengidentifikasi tubuh pusat sebagai lubang hitam. sekitar 10 kali lebih besar dari matahari kita. Sumber: T. Müller (MPIA), PanSTARRS DR1 (KC Chambers dkk. 2016), ESA/Gaia/DPAC

“Ambil tata surya, letakkan lubang hitam di mana matahari berada dan letakkan matahari di mana bumi berada, dan Anda mendapatkan sistem itu,” jelas Kareem El-Badry, astrofisikawan di Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian dan Institut Max Planck untuk Astronomi, dan penulis utama makalah yang menjelaskan penemuan ini, diterbitkan pada 2 Buletin Bulanan Royal Astronomical Society.

“Meskipun ada banyak penemuan yang diklaim tentang sistem semacam itu, hampir semua penemuan ini kemudian dibantah. Ini adalah deteksi jelas pertama dari bintang mirip Matahari dalam orbit lebar di sekitar lubang hitam bermassa bintang di galaksi kita.”

Meskipun kemungkinan ada jutaan lubang hitam bermassa bintang yang berkeliaran di Bima Sakti, beberapa yang telah terlihat ditemukan melalui interaksi energik mereka dengan bintang pendamping. Saat material dari bintang terdekat berputar ke arah lubang hitam, material tersebut menjadi sangat panas, menghasilkan sinar-X dan pancaran material yang kuat. Ketika lubang hitam tidak secara aktif memberi makan (yaitu, tidak aktif), ia hanya menyatu dengan lingkungannya.

“Saya telah mencari lubang hitam yang tidak aktif selama empat tahun terakhir menggunakan berbagai kumpulan data dan metode,” kata El-Badry. “Upaya saya sebelumnya – serta yang lain – telah menemukan kumpulan biner yang menyamar sebagai lubang hitam, tetapi ini adalah pertama kalinya pencarian membuahkan hasil.”

Tim awalnya mengidentifikasi sistem yang berpotensi menampung lubang hitam dengan mengumpulkan data dari Badan Antariksa Eropa Pesawat ruang angkasa Gaia. Gaia menangkap ketidakteraturan kecil dalam gerakan bintang yang disebabkan oleh gravitasi objek masif yang tak terlihat. Untuk mempelajari sistem secara lebih rinci, El-Badry dan timnya beralih ke instrumen Gemini Multi-Object Spectrograph di Gemini North, yang mengukur kecepatan bintang pendamping saat mengorbit lubang hitam dan memberikan pengukuran yang akurat dari periode orbitnya. Pengamatan tindak lanjut Gemini sangat penting dalam membatasi gerakan orbital, dan oleh karena itu massa, dari dua komponen dalam sistem biner, yang memungkinkan tim untuk mengidentifikasi tubuh pusat sebagai lubang hitam sekitar 10 kali massa Matahari kita.

“Pengamatan lanjutan kami terhadap Gemini dengan tegas menegaskan bahwa biner tersebut berisi bintang normal dan setidaknya satu lubang hitam yang tidak aktif,” jelas El-Badry. “Kami tidak dapat menemukan skenario astrofisika yang masuk akal yang dapat menjelaskan orbit yang diamati dari sistem yang tidak melibatkan setidaknya satu lubang hitam.”

Tim mengandalkan tidak hanya pada kemampuan pengamatan Gemini North yang sangat baik, tetapi juga pada kemampuan Gemini untuk menyediakan data pada jadwal yang ketat mengingat jendela tim yang pendek untuk melakukan pengamatan lanjutan mereka.

“Ketika kami memiliki indikasi pertama bahwa sistem tersebut mengandung lubang hitam, kami hanya memiliki waktu seminggu sebelum kedua objek berada pada jarak terdekat dalam orbitnya. Pengukuran pada titik ini sangat penting untuk membuat perkiraan massa yang akurat dalam sistem biner,” kata El-Badry. “Kemampuan Gemini untuk memberikan pengamatan dalam waktu singkat sangat penting untuk keberhasilan proyek. Jika kami melewatkan jendela sempit ini, kami harus menunggu satu tahun lagi.”

Model evolusi sistem biner saat ini tidak banyak menjelaskan bagaimana konfigurasi aneh sistem Gaia BH1 mungkin terjadi. Secara khusus, bintang nenek moyang yang kemudian berubah menjadi lubang hitam yang baru ditemukan setidaknya 20 kali lebih masif dari Matahari kita. Ini berarti bahwa ia akan hidup hanya beberapa juta tahun. Jika kedua bintang terbentuk pada saat yang sama, bintang masif ini akan dengan cepat berubah menjadi bintang super raksasa, membengkak, dan menelan bintang lain sebelum sempat menjadi bintang deret utama pembakaran hidrogen yang meledak penuh seperti Matahari kita.

Sama sekali tidak jelas bagaimana bintang bermassa matahari bisa bertahan dari episode ini dan berakhir sebagai bintang yang tampaknya normal, seperti yang diamati oleh pengamatan sistem biner lubang hitam. Model teoretis yang mampu bertahan semuanya memprediksi bahwa bintang bermassa matahari seharusnya mendarat di orbit yang jauh lebih sempit daripada yang sebenarnya diamati.

Ini mungkin menunjukkan bahwa ada kesenjangan penting dalam pemahaman kita tentang bagaimana lubang hitam biner terbentuk dan berevolusi, dan juga menunjukkan keberadaan populasi lubang hitam biner diam yang belum dijelajahi.

“Menariknya, sistem ini tidak mudah diintegrasikan ke dalam model evolusi biner standar,” simpul El-Badry. “Ini menimbulkan banyak pertanyaan tentang bagaimana sistem biner ini muncul dan berapa banyak lubang hitam yang tidak aktif ini di luar sana.”

“Sebagai bagian dari jaringan observatorium berbasis ruang dan darat, Gemini North tidak hanya memberikan bukti kuat untuk lubang hitam terdekat, tetapi juga sistem lubang hitam murni pertama yang tidak terganggu oleh gas panas biasa yang terkait dengan lubang hitam, ” kata Petugas Program Gemini NSF Martin Still. “Sementara ini berpotensi menjadi pertanda baik untuk penemuan masa depan dari populasi lubang hitam diam yang diprediksi galaksi kita, pengamatan juga meninggalkan misteri untuk dipecahkan – meskipun berbagi sejarah dengan tetangganya yang eksotis, mengapa bintang pendamping begitu normal dalam sistem bintang biner ini? “

Referensi: “Bintang Seperti Matahari Mengorbit Lubang Hitam” oleh Kareem El-Badry, Hans-Walter Rix, Eliot Quataert, Andrew W. Howard, Howard Isaacson, Jim Fuller, Keith Hawkins, Katelyn Breivik, Kaze WK Wong, Antonio C Rodriguez , Charlie Conroy, Sahar Shahaf, Tsevi Mazeh, Frédéric Arenou, Kevin B. Burdge, Dolev Bashi, Simchon Faigler, Daniel R. Weisz, Rhys Seeburger, Silvia Almada Monter dan Jennifer Wojno, 2 November 2022, Buletin Bulanan Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stac3140

Pengamatan Gemini Utara dilakukan di bawah program waktu kebijaksanaan direktur (Program ID: GN-2022B-DD-202).

Observatorium Gemini Internasional dioperasikan oleh kemitraan enam negara termasuk Amerika Serikat melalui National Science Foundation, Kanada melalui Dewan Riset Nasional Kanada, Chili melalui Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo, Brasil melalui Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovações, Argentina oleh Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación dan Korea oleh Institut Astronomi dan Sains Antariksa Korea. Para peserta ini dan Universitas Hawaii, yang memiliki akses reguler ke Gemini, masing-masing memelihara “Kantor Gemini Nasional” untuk mendukung pengguna lokal mereka.