El telescopio Gemini North en Hawái revela la primera masa estelar durmiente[{» 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.

Esta animación muestra una estrella similar al Sol que orbita Gaia BH1, el agujero negro más cercano a la Tierra, ubicado a unos 1600 años luz de distancia. Las observaciones de Gemini North, uno de los telescopios gemelos del Observatorio Internacional Gemini operado por NOIRLab de NSF, fueron cruciales para restringir el movimiento orbital y, por lo tanto, las masas de los dos componentes del sistema binario, lo que permitió al equipo identificar el cuerpo central como un agujero negro. unas 10 veces la masa de nuestro Sol. Crédito: T. Müller (MPIA), PanSTARRS DR1 (KC Chambers et al. 2016), ESA/Gaia/DPAC

“Tome el Sistema Solar, coloque un agujero negro donde está el Sol y el Sol donde está la Tierra, y obtendrá este sistema”, explicó Kareem El-Badry, astrofísica del Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian y el Instituto Max Planck de Astronomía, y el autor principal del artículo que describe este descubrimiento que se publicó el 1 de noviembre. Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.

“Si bien ha habido muchas detecciones de sistemas como este, casi todos estos hallazgos fueron refutados más tarde. Esta es la primera detección inequívoca de una estrella similar al Sol en una amplia órbita alrededor de un agujero negro de masa estelar en nuestra galaxia”.

Si bien es probable que haya millones de agujeros negros de masa estelar deambulando por la Vía Láctea, los pocos que se detectaron fueron descubiertos por sus interacciones energéticas con una estrella compañera. A medida que el material de una estrella cercana gira en espiral hacia el agujero negro, se sobrecalienta y genera potentes rayos X y chorros de material. Si un agujero negro no se está alimentando activamente (es decir, está dormido), simplemente se mezcla con su entorno.

“He estado buscando agujeros negros inactivos durante los últimos cuatro años utilizando una amplia variedad de conjuntos de datos y métodos”, dijo El-Badry. «Mis intentos anteriores, así como otros, han dado como resultado una variedad de sistemas binarios disfrazados de agujeros negros, pero esta es la primera vez que la investigación ha dado sus frutos».

El equipo identificó originalmente que el sistema albergaba potencialmente un agujero negro mediante el análisis de datos del Agencia Espacial Europea nave espacial Gaia. Gaia ha capturado las pequeñas irregularidades en el movimiento de la estrella causadas por la gravedad de un objeto masivo e invisible. Para explorar el sistema con más detalle, El-Badry y su equipo recurrieron al instrumento Gemini Multi-Object Spectrograph en Gemini North, que midió la velocidad de la estrella compañera mientras orbitaba el agujero negro y proporcionó una medición precisa de su período orbital. . Las observaciones de seguimiento de Gemini fueron cruciales para restringir el movimiento orbital y, por lo tanto, las masas de los dos componentes del sistema binario, lo que permitió al equipo identificar el cuerpo central como un agujero negro de aproximadamente 10 veces la masa de nuestro Sol.

«Nuestras observaciones de seguimiento de Géminis han confirmado, más allá de cualquier duda razonable, que el binario contiene una estrella normal y al menos un agujero negro durmiente», explicó El-Badry. «No pudimos encontrar ningún escenario astrofísico plausible que pudiera explicar la órbita observada del sistema que no involucra al menos un agujero negro».

El equipo confió no solo en las excelentes capacidades de observación de Gemini North, sino también en la capacidad de Gemini para entregar datos en un plazo ajustado, ya que el equipo solo tenía un período corto para realizar sus observaciones de seguimiento.

“Cuando obtuvimos los primeros indicios de que el sistema contenía un agujero negro, solo teníamos una semana antes de que los dos objetos estuvieran en la separación más cercana en sus órbitas. Las mediciones en este punto son esenciales para hacer estimaciones de masa precisas en un sistema binario”, dijo El-Badry. “La capacidad de Gemini para proporcionar observaciones en un corto período de tiempo fue fundamental para el éxito del proyecto. Si nos hubiéramos perdido esa ventana estrecha, habríamos tenido que esperar otro año”.

Los modelos actuales de los astrónomos sobre la evolución de los sistemas binarios están en apuros para explicar cómo pudo haber surgido la peculiar configuración del sistema Gaia BH1. Específicamente, la estrella progenitora que luego se convirtió en el agujero negro recién detectado habría tenido al menos 20 veces la masa de nuestro Sol. Eso significa que habría vivido solo unos pocos millones de años. Si ambas estrellas se formaron al mismo tiempo, esta estrella masiva se habría convertido rápidamente en una supergigante, hinchando y engullendo a la otra estrella antes de que tuviera tiempo de convertirse en una estrella de secuencia principal que quema hidrógeno, como nuestro Sol.

No está claro cómo la estrella de masa solar podría haber sobrevivido a este episodio, terminando como una estrella aparentemente normal, como indican las observaciones del binario del agujero negro. Todos los modelos teóricos que permiten la supervivencia predicen que la estrella de masa solar debería haber terminado en una órbita mucho más estrecha de lo que realmente se observa.

Esto puede indicar que existen lagunas importantes en nuestra comprensión de cómo se forman y evolucionan los agujeros negros en los sistemas binarios, y también sugiere la existencia de una población aún no explorada de agujeros negros inactivos en binarios.

“Es interesante que este sistema no se adapte fácilmente a los modelos estándar de evolución binaria”, concluyó El-Badry. «Esto plantea muchas preguntas sobre cómo se formó este sistema binario, así como cuántos de estos agujeros negros inactivos existen».

“Como parte de una red de observatorios terrestres y espaciales, Gemini North no solo proporcionó pruebas sólidas del agujero negro más cercano hasta la fecha, sino también el primer sistema de agujeros negros prístino organizado por el gas caliente habitual que interactúa con el agujero negro. . ”, dijo el oficial del programa Gemini de la NSF, Martin Still. “Si bien esto augura potencialmente futuros descubrimientos de la población predicha de agujeros negros inactivos en nuestra galaxia, las observaciones también dejan un misterio por resolver: a pesar de una historia compartida con su vecino exótico, ¿por qué la estrella compañera en este sistema binario es tan normal? ”

Referencia: «Una estrella similar al Sol orbitando un agujero negro» por 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 y Jennifer Wojno, 2 de noviembre de 2022, Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stac3140

Las observaciones de Gemini Norte se realizaron como parte del programa de tiempo discrecional de un director (ID del programa: GN-2022B-DD-202).

El Observatorio Internacional Gemini es operado por una asociación de seis países, incluidos los Estados Unidos a través de la Fundación Nacional de Ciencias, Canadá a través del Consejo Nacional de Investigación de Canadá, Chile a través de la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo, Brasil a través del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovaciones, Argentina a través del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación, y Corea a través del Instituto de Astronomía y Ciencias Espaciales de Corea. Estos Participantes y la Universidad de Hawái, que tiene acceso regular a Gemini, mantienen una «Oficina Nacional de Gemini» para apoyar a sus usuarios locales.