Gli astronomi hanno scoperto il buco nero più vicino sulla Terra: nel cortile cosmico

Il Gemini North Telescope alle Hawaii rivela il primo ammasso stellare dormiente[{” 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.

Questa animazione mostra una stella simile al sole in orbita attorno a Gaia BH1, il buco nero più vicino alla Terra, situato a circa 1.600 anni luce di distanza. Le osservazioni di Gemini North, uno dei telescopi gemelli del Gemini International Observatory, operato dal NOIRLab di NSF, sono state cruciali per vincolare il movimento orbitale e quindi le masse dei due componenti nel sistema binario, consentendo al team di identificare l’oggetto centrale come un buco nero circa 10 volte la massa del nostro Sole. Crediti: T. Müller (MPIA), PanSTARRS DR1 (KC Chambers et al. 2016), ESA/Gaia/DPAC

“Prendi il sistema solare, metti un buco nero dove si trova il sole, e il sole è dove si trova la Terra, e avrai questo sistema”, spiega Karim El-Badri, astrofisico del Centro astrofisico. Harvard, Smithsonian e Max Planck Institute for Astronomy e autore principale dell’articolo che descrive questa scoperta, pubblicato il 2 novembre in Avvisi mensili della Royal Astronomical Society.

Sebbene ci siano state molte scoperte dichiarate di tali sistemi, quasi tutte queste scoperte sono state successivamente confutate. Questa è la prima scoperta inequivocabile di una stella simile al sole in un’ampia orbita attorno a un buco nero di massa stellare nella nostra galassia”.

Sebbene ci siano milioni di buchi neri di massa stellare che vagano per la Via Lattea, pochissimi sono stati scoperti attraverso le loro interazioni attive con una stella compagna. Quando il materiale di una stella vicina ruota nella direzione del buco nero, diventa estremamente caldo e genera potenti raggi X e getti di materiale. Se un buco nero non si nutre attivamente (cioè è addormentato) si fonde semplicemente con l’ambiente circostante.

“Ho cercato buchi neri dormienti negli ultimi quattro anni utilizzando un’ampia gamma di set di dati e metodi”, ha detto Al-Badri. “I miei tentativi precedenti – così come quelli di altri – hanno dato origine a una serie di sistemi binari mascherati da buchi neri, ma questa è la prima volta che la ricerca viene realizzata”.

Il team ha originariamente identificato il sistema come potenzialmente ospitante un buco nero analizzando i dati da Agenzia spaziale europea Veicolo spaziale Gaia. Gaia ha catturato le minuscole irregolarità nel movimento della stella causate dalla gravità di un oggetto massiccio e invisibile. Per esplorare il sistema in modo più dettagliato, Al-Badri e il suo team si sono rivolti allo strumento Gemini Multi-Object Spectrograph a Gemini North, che ha misurato la velocità della stella compagna mentre orbitava attorno al buco nero e ha fornito una misurazione accurata del periodo della sua orbita . Le successive osservazioni di Gemini sono state cruciali per vincolare il movimento orbitale e quindi le masse dei due componenti nel sistema binario, consentendo al team di identificare l’oggetto centrale come un buco nero circa 10 volte la massa del nostro sole.

Al-Badri ha spiegato che “le nostre osservazioni sul follow-up di Gemini hanno confermato al di là di ogni dubbio che il binario contiene una stella normale e almeno un buco nero dormiente”. “Non siamo stati in grado di trovare uno scenario astrofisico plausibile che potesse spiegare l’orbita osservata di un sistema che non include almeno un buco nero”.

Il team ha fatto affidamento non solo sulle straordinarie capacità di monitoraggio di Gemini North, ma anche sulla capacità di Gemini di fornire dati in tempi stretti, poiché il team ha avuto solo poco tempo per effettuare le osservazioni di follow-up.

“Quando abbiamo avuto le prime indicazioni che il sistema conteneva un buco nero, avevamo solo una settimana prima che i due oggetti fossero alla loro separazione orbitale più vicina. Le misurazioni a questo punto sono necessarie per fare stime accurate della massa in un sistema binario”, Al – disse Badri. “La capacità di Gemini di fornire feedback in tempi brevi è stata fondamentale per il successo del progetto. Se abbiamo perso quella finestra ristretta, abbiamo dovuto aspettare un altro anno”.

È difficile insistere sui modelli attuali dell’evoluzione dei sistemi binari degli astronomi per spiegare come sia nata la peculiare formazione di Gaia BH1. In particolare, la stella progenitrice che in seguito si è trasformata nel buco nero appena scoperto era almeno venti volte la massa del nostro sole. Ciò significa che avrebbe vissuto solo pochi milioni di anni. Se entrambe le stelle si formassero contemporaneamente, quella stella massiccia si trasformerebbe rapidamente in una supergigante, gonfiando e inghiottendo l’altra stella prima che avesse il tempo di diventare una vera e propria stella della sequenza principale, che brucia idrogeno, come il nostro Sole.

Non è affatto chiaro come una stella di massa solare possa sopravvivere a quell’anello e finire come una stella apparentemente normale, come suggeriscono le osservazioni di un buco nero binario. Tutti i modelli teorici che consentono la sopravvivenza prevedono che la stella di massa solare dovrebbe essere finita in un’orbita più stretta di quella effettivamente osservata.

Ciò potrebbe indicare importanti lacune nella nostra comprensione di come si formano ed evolvono i buchi neri nei sistemi binari, oltre a suggerire l’esistenza di un gruppo ancora inesplorato di buchi neri dormienti nei binari.

“È interessante notare che questo sistema non può essere facilmente adattato da modelli di evoluzione binaria standard”, ha concluso Al-Badri. “Solleva molte domande su come si è formato questo sistema binario e su quanti buchi neri in agguato ci sono”.

“Come parte di una rete di osservatori spaziali e terrestri, Gemini North non solo ha fornito prove evidenti del buco nero più vicino fino ad oggi, ma ha anche fornito il primo sistema di buchi neri originale, organizzato nel consueto gas caldo che interagisce con un buco nero buco”, ha affermato Martin Steele, funzionario del programma Gemini per la NSF Foundation. “Sebbene questo preveda potenzialmente le future scoperte dell’atteso ammasso di buchi neri dormienti nella nostra galassia, le osservazioni lasciano anche un mistero da risolvere: nonostante la storia condivisa con il suo vicino alieno, perché una stella compagna in questo sistema binario è così normale?”

Riferimento: “Stella simile al sole in orbita attorno a un buco nero” di Karim Badri, Hans Walter Rex, Elliot Quatert, Andrew W. Howard, Howard Isaacson, Jim Fuller, Keith Hawkins, Katelyn Breivik, Kazi WK Wong, Antonio C. Rodriguez, Charlie Conroy, Glamour Shahav, Tsvi Mazeh, Frédéric Arino, Kevin B. Berdge, Dolev Bachi, Simchon Weigler, Daniel R. Weisz, Rhys Seiberger, Silvia Almada Münter e Jennifer Wuino, 2 novembre 2022, Avvisi mensili della Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stac3140

Le note Gemini North sono state condotte nell’ambito del programma del tempo stimato del direttore (ID programma: GN-2022B-DD-202).

Gemini International Observatory è gestito da una partnership di sei paesi, inclusi gli Stati Uniti attraverso la National Science Foundation, il Canada attraverso il Consiglio Nazionale delle Ricerche del Canada, il Cile attraverso l’Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo, il Brasile attraverso il Ministero della Scienza e della Tecnologia. e Inovações, Argentina attraverso il Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación, e Corea attraverso il Korea Institute of Astronomy and Space Sciences. Questi partecipanti e l’Università delle Hawaii, che ha accesso regolare a Gemini, mantengono ciascuno un “Ufficio nazionale Gemini” per supportare gli utenti locali.