천문학자들은 우주 뒤뜰에서 지구에서 가장 가까운 블랙홀을 발견했습니다

하와이 쌍둥이자리 북망원경, 최초의 휴면성단 공개[{” 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.

이 애니메이션은 약 1,600광년 떨어진 지구에서 가장 가까운 블랙홀인 가이아 BH1을 공전하는 태양과 같은 별을 보여줍니다. NSF의 NOIRLab에서 운영하는 쌍둥이자리 국제 천문대의 쌍발 망원경 중 하나인 북쪽 쌍둥이자리의 관측은 궤도 운동을 제한하고 쌍성계에서 두 구성 요소의 질량을 제한하는 데 매우 중요하여 팀이 중심 천체를 다음과 같이 식별할 수 있었습니다. 태양 질량의 약 10배에 달하는 블랙홀. 출처: T. Müller(MPIA), PanSTARRS DR1(KC Chambers et al. 2016), ESA/Gaia/DPAC

천체물리학 센터(Astrophysical Center)의 천체물리학자인 카림 엘-바드리(Karim El-Badri)는 “태양계를 가지고 태양이 있는 곳에 블랙홀을, 지구가 있는 곳에 태양을 두면 이 시스템을 갖게 될 것”이라고 설명했다. 하버드, 스미소니언, 막스 플랑크 천문학 연구소, 이 발견을 설명하는 논문의 주저자, 11월 2일 왕립천문학회 월간 공지.

그러한 시스템에 대한 많은 주장된 발견이 있었지만, 이러한 발견의 거의 모두는 이후에 반박되었습니다. 이것은 우리 은하의 항성질량 블랙홀 주위를 도는 넓은 궤도에서 태양과 같은 별을 처음으로 명백하게 발견한 것입니다.”

우리은하를 배회하는 수백만 개의 항성질량 블랙홀이 있지만, 동반별과의 활발한 상호작용을 통해 발견된 것은 극소수입니다. 가까운 별의 물질이 블랙홀 방향으로 회전함에 따라 극도로 뜨거워지고 강력한 X선과 물질 제트를 생성합니다. 블랙홀이 활발하게 먹이를 공급하지 않는 경우(즉, 잠자고 있는 경우) 단순히 주변 환경과 합쳐집니다.

“저는 지난 4년 동안 다양한 데이터 세트와 방법을 사용하여 휴면 블랙홀을 찾고 있었습니다.”라고 Al-Badri가 말했습니다. “나의 이전 시도는 다른 시도와 마찬가지로 블랙홀로 가장한 일련의 이진 시스템을 발생시켰지만 연구가 결실을 맺은 것은 이번이 처음입니다.”

팀은 원래 시스템에서 데이터를 분석하여 잠재적으로 블랙홀을 호스팅하는 시스템으로 식별했습니다. 유럽 ​​우주국 가이아 우주선. 가이아는 거대하고 보이지 않는 물체의 중력으로 인한 별의 움직임의 미세한 불규칙성을 포착했습니다. 이 시스템을 더 자세히 탐색하기 위해 Al-Badri와 그의 팀은 쌍둥이자리 북쪽에 있는 쌍둥이자리 다중물체 분광기(Gemini Multi-Object Spectrograph) 장비를 사용했습니다. . 쌍둥이자리의 추적 관찰은 궤도 운동을 제한하고 쌍성계에서 두 구성 요소의 질량을 제한하는 데 결정적이었고 팀은 중심 물체를 우리 태양 질량의 약 10배에 달하는 블랙홀로 식별할 수 있었습니다.

Al-Badri는 “쌍둥이에 평범한 별과 적어도 하나의 휴면 블랙홀이 포함되어 있다는 사실을 의심할 여지 없이 쌍둥이자리의 추적 관찰을 통해 확인했습니다.”라고 설명했습니다. “우리는 적어도 하나의 블랙홀을 포함하지 않는 시스템의 관측된 궤도를 설명할 수 있는 그럴듯한 천체 물리학 시나리오를 찾을 수 없었습니다.”

팀은 후속 관찰을 할 수 있는 시간이 짧았기 때문에 Gemini North의 인상적인 모니터링 기능뿐만 아니라 촉박한 기한에 데이터를 제공할 수 있는 Gemini의 능력에 의존했습니다.

“시스템에 블랙홀이 포함되어 있다는 첫 징후를 보았을 때 두 물체가 가장 가까운 궤도 분리에 있기까지 일주일 밖에 없었습니다. 이 시점에서 측정은 쌍성계에서 질량을 정확하게 추정하는 데 필요합니다.” -바드리가 말했다. “짧은 시간에 피드백을 제공하는 Gemini의 능력은 프로젝트의 성공에 매우 중요했습니다. 우리가 그 좁은 기간을 놓치면 1년을 더 기다려야 했습니다.”

가이아 BH1의 독특한 형성이 어떻게 발생했는지 설명하기 위해 하드 천문학자들의 현재 쌍성계 진화 모델을 압박하는 것은 어렵습니다. 특히, 나중에 새로 발견된 블랙홀로 변한 선조 별은 우리 태양 질량의 최소 20배였습니다. 이것은 그녀가 단지 몇 백만 년을 살았다는 것을 의미합니다. 두 별이 동시에 형성된다면, 그 무거운 별은 우리 태양과 같은 적절한 수소 연소 주계열성이 되기 전에 다른 별을 팽창시키고 집어삼키는 초거성으로 빠르게 변할 것입니다.

쌍성 블랙홀의 관측에서 알 수 있듯이 태양 질량의 별이 어떻게 그 고리에서 살아남을 수 있고 겉보기에는 정상적인 별이 될 수 있는지는 전혀 분명하지 않습니다. 생존을 가능하게 하는 모든 이론적 모델은 태양 질량의 별이 실제로 관찰되는 것보다 더 좁은 궤도에 있어야 한다고 예측합니다.

이것은 블랙홀이 쌍성계에서 어떻게 형성되고 진화하는지에 대한 우리의 이해에 중요한 격차를 나타낼 수 있을 뿐만 아니라 쌍성계에서 아직 탐험되지 않은 휴면 블랙홀 그룹의 존재를 시사합니다.

“흥미롭게도, 이 시스템은 표준 이진 진화 모델로 쉽게 적응할 수 없습니다.”라고 Al-Badri는 결론지었습니다. “그것은 이 쌍성계가 어떻게 형성되었는지, 얼마나 많은 블랙홀이 숨어 있는지에 대한 많은 질문을 제기합니다.”

“우주 및 지상 관측소 네트워크의 일부로서 쌍둥이자리 북쪽은 현재까지 가장 가까운 블랙홀에 대한 강력한 증거를 제공했을 뿐만 아니라 블랙홀과 상호 작용하는 일반적인 뜨거운 가스에 배열된 최초의 최초 블랙홀 시스템을 제공했습니다. 구멍”이라고 NSF 재단의 쌍둥이자리 프로그램 관계자인 Martin Steele이 말했습니다. “이것은 잠재적으로 우리 은하에서 예상되는 휴면 블랙홀 클러스터의 미래 발견을 예고하는 반면, 관측은 또한 해결해야 할 미스터리를 남깁니다. 외계인 이웃과 공유된 역사에도 불구하고 이 쌍성계의 동반성은 왜 그렇게 정상적인가?”

참조: Karim Badri, Hans Walter Rex, Elliot Quert, Andrew W. Howard, Howard Isaacson, Jim Fuller, Keith Hawkins, Katelyn Breivik, Kazi WK Wong, Antonio C. Rodriguez, Charlie의 “블랙홀 궤도를 도는 태양과 같은 별” Conroy, Glamour Shahav, Tsvi Mazeh, Frédéric Arino, Kevin B Berdge, Dolev Bachi, Simchon Weigler, Daniel R. Weisz, Reiss Seiberger, Silvia Almada Münter 및 Jennifer Wuino, 2022년 11월 2일, 왕립천문학회 월간 공지.
DOI: 10.1093/mnras/stac3140

쌍둥이자리 북쪽 메모는 감독의 예상 시간 프로그램(프로그램 ID: GN-2022B-DD-202)의 일부로 수행되었습니다.

쌍둥이자리 국제 천문대는 과학기술부를 통해 브라질 국립연구위원회를 거쳐 칠레, 캐나다 국립과학재단을 통해 미국, 캐나다 등 6개국이 협력하여 운영하고 있습니다. e Inovações,Ministerio de Ciencia를 통해 아르헨티나, Tecnología e Innovación을 통해 그리고 한국천문연구원을 통해 한국. 이 참가자들과 Gemini에 정기적으로 액세스할 수 있는 University of Hawaii는 각각 “Gemini National Office”를 유지하여 로컬 사용자를 지원합니다.