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Scoperto un “fantasma” stellare: gli astronomi potrebbero aver rilevato un buco nero “oscuro” fluttuante

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Quando le stelle massicce giungono alla fine della loro vita ed esplodono in una supernova, si lasciano dietro un buco nero. Si stima che circa una stella su mille sia abbastanza massiccia da dare vita a un buco nero. Con la Via Lattea che ospitada 100 a 400 miliardi di stelle, è probabile che vi sia un gran numero di buchi neri in tutta la nostra galassia.

Tuttavia, i buchi neri per loro stessa natura possono essere molto difficili da rilevare, soprattutto se isolati. Dopotutto, un buco nero ha una gravità così potente che la luce non riesce a sfuggirgli, quindi generalmente li rileviamo dalla loro influenza gravitazionale su altri oggetti o dalle radiazioni create dalla materia circostante che stanno divorando. Senza oggetti vicini o un disco di accrescimento di materia, potrebbero esserci centinaia di milioni di buchi neri in tutta la nostra galassia che sono essenzialmente invisibili agli astronomi.

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Ora, un team di astronomi guidato dall’Università della California, Berkeley, ha scoperto quello che potrebbe essere un buco nero fluttuante osservando l’illuminazione di una stella più lontana mentre la sua luce era distorta dal forte campo gravitazionale dell’oggetto, un fenomeno chiamato microlensing gravitazionale.

Il team, guidato dallo studente laureato Casey Lam e da Jessica Lu, professoressa associata di astronomia alla UC Berkeley, stima che la massa dell’oggetto compatto invisibile sia compresa tra 1,6 e 4,4 volte quella del sole. Poiché gli astronomi pensano che il resto di una stella morta debba essere più pesante di 2,2 masse solari per poter collassare in un buco nero, i ricercatori della UC Berkeley avvertono che l’oggetto potrebbe essere una stella di neutroni invece di un buco nero. Anche le stelle di neutroni sono oggetti densi e altamente compatti, ma la loro gravità è bilanciata dalla pressione interna dei neutroni, che impedisce un ulteriore collasso in un buco nero.

Che si tratti di un buco nero o di una stella di neutroni, l’oggetto è il primo residuo di una stella oscura – un “fantasma” stellare – scoperto a vagare per la galassia senza essere accoppiato con un’altra stella.

Microlensing per oggetto compatto

Immagine del telescopio spaziale Hubble di una stella lontana che è stata illuminata e distorta da un oggetto invisibile ma molto compatto e pesante tra essa e la Terra. L’oggetto compatto – stimato dagli astronomi dell’Università di Berkeley tra 1,6 e 4,4 volte la massa del nostro Sole – potrebbe essere un buco nero fluttuante, uno dei forse 200 milioni nella galassia della Via Lattea. Credito: Immagine per gentile concessione di STScI/NASA/ESA

Questa è la prima stella di neutroni o buco nero fluttuante scoperta con il microlensing gravitazionale“, ha detto Lu. “Con il microlensing, siamo in grado di sondare questi oggetti solitari e compatti e pesarli. Penso che abbiamo aperto una nuova finestra su questi oggetti oscuri, che non possono essere visti in nessun altro modo“.

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Determinare quanti di questi oggetti compatti popolano la Via Lattea aiuterà gli astronomi a capire l’evoluzione delle stelle – in particolare, come muoiono – e della nostra galassia, e forse rivelerà se qualcuno di questi buchi neri invisibili sono buchi neri primordiali, che alcuni cosmologi pensano che siano stati prodotti in grandi quantità durante il Big Bang.

L’analisi di Lam, Lu e del loro team internazionale è stata accettata per la pubblicazione su The Astrophysical Journal Letters. L’analisi include altri quattro eventi di microlensing che il team ha concluso non sono stati causati da un buco nero, sebbene due siano stati probabilmente causati da una nana bianca o da una stella di neutroni. Il team ha anche concluso che la probabile popolazione di buchi neri nella galassia sia di circa 200 milioni, secondo quanto previsto dalla maggior parte dei teorici.

Stessi dati, conclusioni diverse

In particolare, un team in competizione dello Space Telescope Science Institute (STScI) di Baltimora ha analizzato lo stesso evento di microlensing e afferma che la massa dell’oggetto compatto è più vicina a 7,1 masse solari e indiscutibilmente un buco nero. Un articolo che descrive l’analisi del team STScI, guidato da Kailash Sahu, è stato accettato per la pubblicazione su The Astrophysical Journal .

Entrambi i team hanno utilizzato gli stessi dati: misurazioni fotometriche dell’illuminazione della stella lontana quando la sua luce veniva distorta o “inquadrata” dall’oggetto supercompatto e misurazioni astrometriche dello spostamento della posizione della stella lontana nel cielo a causa dell’effetto gravitazionale distorsione da parte dell’oggetto della lente. I dati fotometrici provenivano da due indagini di microlensing: l’esperimento di lente gravitazionale ottica (OGLE), che impiega un telescopio di 1,3 metri in Cile gestito dall’Università di Varsavia, e l’esperimento di Osservazioni di microlente in astrofisica (MOA), che è montato su un telescopio da 1,8 in Nuova Zelanda gestito dall’Università di Osaka. I dati astrometrici provenivano dal telescopio spaziale Hubble della NASA. STScI gestisce il programma scientifico per il telescopio e conduce le sue operazioni scientifiche.

Poiché entrambi i sondaggi di microlensing hanno catturato lo stesso oggetto, ha due nomi: MOA-2011-BLG-191 e OGLE-2011-BLG-0462, o OB110462.

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Mentre sondaggi come questi scoprono circa 2.000 stelle illuminate dal microlensing ogni anno nella galassia della Via Lattea, l’aggiunta di dati astrometrici è ciò che ha permesso ai due team di determinare la massa dell’oggetto compatto e la sua distanza dalla Terra. Il team guidato dalla UC Berkeley ha stimato che si trova tra 2.280 e 6.260 anni luce (700-1920 parsec), in direzione del centro della Via Lattea e vicino al grande rigonfiamento che circonda il massiccio buco nero centrale della galassia.

Il gruppo STScI ha stimato che si trova a circa 5.153 anni luce (1.580 parsec) di distanza.

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Alla ricerca di un ago in un pagliaio

Lu e Lam si sono interessati all’oggetto per la prima volta nel 2020 dopo che il team STScI ha concluso provvisoriamente che cinque eventi di microlensing osservati da Hubble – che sono durati tutti per più di 100 giorni e quindi avrebbero potuto essere buchi neri – potrebbero non essere causati da oggetti compatti.

Lu, che è alla ricerca di buchi neri fluttuanti dal 2008, pensava che i dati l’avrebbero aiutata a stimare meglio la loro abbondanza nella galassia, che è stata approssimativamente stimata tra 10 milioni e 1 miliardo. Ad oggi, i buchi neri delle dimensioni di una stella sono stati trovati solo come parte di sistemi stellari binari. I buchi neri nei binari si vedono o nei raggi X, prodotti quando il materiale della stella cade sul buco nero, o dai recenti rivelatori di onde gravitazionali, che sono sensibili alla fusione di due o più buchi neri. Ma questi eventi sono rari.

Casey ed io abbiamo visto i dati e ci siamo davvero interessati. Abbiamo detto: ‘Wow, niente buchi neri. È incredibile,’ anche se avrebbe dovuto esserci“, ha detto Lu. “E così, abbiamo iniziato a guardare i dati. Se non ci fossero davvero buchi neri nei dati, allora questo non corrisponderebbe al nostro modello per quanti buchi neri dovrebbero esserci nella Via Lattea. Qualcosa dovrebbe cambiare nella nostra comprensione dei buchi neri: il loro numero o la velocità con cui si muovono o le loro masse“.

Quando Lam ha analizzato la fotometria e l’astrometria per i cinque eventi di microlensing, è rimasta sorpresa che uno, OB110462, avesse le caratteristiche di un oggetto compatto: l’oggetto di lensing sembrava scuro, e quindi non una stella; lo schiarimento stellare durò a lungo, quasi 300 giorni; e anche la distorsione della posizione della stella sullo sfondo è stata di lunga durata.

La durata dell’evento di lensing è stata la principale segnalazione, ha detto Lam. Nel 2020, ha mostrato che il modo migliore per cercare microlensing generati da un buco nero è cercare eventi molto lunghi. È probabile che solo l’1% degli eventi di microlensing rilevabili provenga da buchi neri, quindi guardare tutti gli eventi sarebbe come cercare un ago in un pagliaio. Ma, ha calcolato Lam, è probabile che circa il 40% degli eventi di microlensing che durano più di 120 giorni siano generati da buchi neri.

La durata dell’evento di schiarimento è un indizio di quanto sia massiccia la lente in primo piano che piega la luce della stella sullo sfondo“, ha detto Lam. “Gli eventi lunghi sono più probabili a causa dei buchi neri. Tuttavia, non è una garanzia, perché la durata dell’episodio di schiarimento non dipende solo da quanto è massiccia la lente in primo piano, ma anche dalla velocità con cui la lente in primo piano e la stella sullo sfondo si muovono l’una rispetto all’altra. Tuttavia, misurando anche la posizione apparente della stella sullo sfondo, possiamo confermare se l’obiettivo in primo piano è davvero un buco nero“.

Secondo Lu, l’influenza gravitazionale di OB110462 sulla luce della stella sullo sfondo è stata sorprendentemente lunga. Ci è voluto circa un anno prima che la stella raggiungesse al suo apice nel 2011, poi circa un anno per tornare alla normalità.

Ulteriori dati distingueranno il buco nero dalla stella di neutroni

Per confermare che OB110462 è stato causato da un oggetto super compatto, Lu e Lam hanno chiesto a Hubble ulteriori dati astrometrici, alcuni dei quali sono arrivati ​​lo scorso ottobre. Quei nuovi dati hanno mostrato che il cambiamento di posizione della stella come risultato del campo gravitazionale della lente è ancora osservabile 10 anni dopo l’evento. Ulteriori osservazioni di Hubble sul microlensing sono previste per l’autunno 2022.

L’analisi dei nuovi dati ha confermato che OB110462 è probabilmente un buco nero o una stella di neutroni.

Lu e Lam sospettano che le diverse conclusioni delle due squadre siano dovute al fatto che i dati astrometrici e fotometrici forniscono misure diverse dei movimenti relativi degli oggetti in primo piano e sullo sfondo. Anche l’analisi astrometrica differisce tra le due squadre. Il team guidato dalla UC Berkeley sostiene che non è ancora possibile distinguere se l’oggetto sia un buco nero o una stella di neutroni, ma sperano di risolvere la discrepanza con più dati da Hubble e analisi migliori in futuro.

Per quanto vorremmo dire che è definitivamente un buco nero, dobbiamo segnalare tutte le soluzioni consentite. Ciò include sia buchi neri di massa inferiore che forse anche una stella di neutroni“, ha affermato Lu.

Se non riesci a credere alla curva della luce, alla luminosità, allora questo dice qualcosa di importante. Se non credi alla posizione rispetto al tempo, questo ti dice qualcosa di importante“, ha detto Lam. “Quindi, se uno di loro ha torto, dobbiamo capire perché. Oppure l’altra possibilità è che ciò che misuriamo in entrambi i set di dati sia corretto, ma il nostro modello non è corretto. I dati di fotometria e astrometria derivano dallo stesso processo fisico, il che significa che la luminosità e la posizione devono essere coerenti tra loro. Quindi, c’è qualcosa che manca lì“.

Entrambi i team hanno anche stimato la velocità dell’oggetto obiettivo super compatto. Il team Lu/Lam ha trovato una velocità relativamente tranquilla, inferiore a 30 chilometri al secondo. Il team STScI ha trovato una velocità insolitamente grande, 45 km/s, che ha interpretato come il risultato di un calcio in più che il presunto buco nero ha ottenuto dalla supernova che lo ha generato.

Riferimento: “An isolated mass gap black hole or neutron star detected with astrometric microlensing” di Casey Y. Lam, Jessica R. Lu, Andrzej Udalski, Ian Bond, David P. Bennett, Jan Skowron, Przemek Mroz, Radek Poleski, Takahiro Sumi , Michal K. Szymanski, Szymon Kozlowski, Pawel Pietrukowicz, Igor Soszynski, Krzysztof Ulaczyk, Lukasz Wyrzykowski, Shota Miyazaki, Daisuke Suzuki, Naoki Koshimoto, Nicholas J. Rattenbury, Matthew W. Hosek Jr., Fumio Abe, Richard Barry, Aparna Bhattacharya , Akihiko Fukui, Hirosane Fujii, Yuki Hirao, Yoshitaka Itow, Rintaro Kirikawa, Iona Kondo, Yutaka Matsubara, Sho Matsumoto, Yasushi Muraki, Greg Olmschenk, Clement Ranc, Arisa Okamura, Yuki Satoh, Stela Ishitani Silva, Taiga Toda, Paul J. Tristram, Aikaterini Vandorou, Hibiki Yama, Natasha S. Abrams, Shrihan Agarwal, Sam Rose e Sean K. Terry, accettati,Le lettere del diario astrofisico .
arXiv:2202.01903

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