Pressmeddelande

Stjärnans märkliga beteende avslöjar ensamt svart hål inuti gigantisk stjärnsvärm

17 januari 2018

Astronomer har med hjälp av ESO:s instrument MUSE på Very Large Telescope i Chile upptäckt en stjärna i stjärnhopen NGC 3201 som beter sig väldigt underligt. Stjärnan tycks kretsa kring ett osynligt svart hål som väger fyra gånger så mycket som solen. Det är det första inaktiva svarta hålet i sitt slag som upptäckts i en klotformig stjärnhop och även den första som upptäckts direkt genom dess gravitationella inflytande. Denna viktiga upptäckt påverkar vårt förstående av bildandet av dessa stjärnhopar, svarta hål och ursprungen till gravitationsvågor.

Klothopar är de jättelika sfäriska svärmarna av tiotusentals stjärnor som kretsar runt de flesta galaxer. De är bland de äldsta kända stjärnsystemen i universum och har anor från tiden då galaxerna först började växa till sig. Till Vintergatan hör åtminstone 150 klothopar.

Nu har en av dessa hopar – den heter NGC 3201 och ligger i den sydliga stjärnbilden Seglet (Vela) – detaljstuderats. Bakom forskningen ligger instrumentet MUSE på ESO:s Very Large Telescope (VLT) i Chile och ett team av astronomer som leds av Benjamin Giesers vid Georg-August-Universität Göttingen, Tyskland. De upptäckte att en av stjärnorna [1] betedde sig på ett ytterst märkligt vis. Den slungas runt i hastigheter på uppemot flera tusen kilometer i timmen i ett mönster som upprepas med en period på 167 dagar [2].

Stjärnans beteende fascinerade Benjamin Giesers.

– Den höll på att kretsa runt något som var alldeles osynligt och vars massa var mer än fyra gånger solens. Det här kunde bara vara ett svart hål! Det första som upptäckts i en klothop genom att direkt observera dess gravitationella påverkan.

För astronomer är förhållandet mellan svarta hål och klothopar viktigt men gåtfullt. På grund av deras stora massor och höga åldrar tros hoparna ha kunnat tillverka åtskilliga lätta svarta hål – sådana som väger lika mycket som en stjärna. Under hopens långa liv skulle dessa ha skapats allt eftersom de tyngre stjärnorna exploderade och störtade samman [3] [4].

Med ESO:s instrument MUSE får astronomer tillgång till dess unika förmåga att mäta rörelserna hos tusentals avlägsna stjärnor samtidigt. Med denna nya upptäckt har Giesers och hans team för första gången kunnat upptäcka ett inaktivt svart hål i hjärtat av en klotformig stjärnhop. Det är alltså ett svart hål som slutat äta upp material från sin omgivning och som inte omges av en glödande skiva av gas. Forskarna har kunnat uppskatta det svarta hålets massa genom rörelserna av en stjärna som är fången av dess enorma gravitationella dragningskraft [5].

Från dess observerade egenskaper bestämdes stjärnans massa till cirka 0,8 gånger solens och massan hos dess mystiska följeslagare beräknades till 4,36 gånger solens massa. Det är nästan helt säkert ett svart hål [6].

Man har nyligen upptäckt både radio- och röntgenkällor i klothopar. Dessutom upptäcktes 2016 gravitationsvågor som producerades av att två lätta svarta hål slogs samman. Detta tyder på att dessa relativt små svarta hål kan vara mer vanliga i klotformiga stjärnhopar än vad man tidigare trott.

– Fram tills nyligen trodde vi att nästan alla svarta hål försvinner från klotformiga stjärnhopar efter en kort tid och att system som dessa inte borde existera. Men det är nu klart att så inte är fallet. Våra resultat av den första direkta observationen av de gravitationella effekterna från ett svart hål med liknande massa till solen i en klotformig stjärnhop. Denna upptäckt hjälper oss förstå bildandet av klotformiga stjärnhopar och utvecklingen av svarta hål och binära system, vilket är avgörande i samband med att förstå källor till gravitationella vågor, avslutar Giesers.

Noter

[1] Stjärnan har fått slut på väte, dess primära bränslekälla och är på väg att omvandlas till en röd jätte. Det kan utläsas av dess ljusstyrka och temperatur, som i sin tur definierar dess plats i slutet av huvudserien på Hertzsprung-Russell-diagrammet.

[2] Just nu genomförs en större kartläggning av 25 klothopar runt Vintergatan med hjälp av ESO:s instrument MUSE och med stöd av MUSE-konsortiet. Projektet kommer att förse astronomer med spektra för mellan 600 och 27 000 stjärnor i varje hop. I studie ingår analys av enskilda stjärnors radialhastigheter, det vill säga hastigheten med vilken de rör sig mot eller bort ifrån jorden längs siktlinjen till stjärnan. Med hjälp av radialhastigheten kan stjärnornas banor bestämmas, men även egenskaperna hos eventuella tunga följeslagare.

[3] Om inte nya stjärnor kontinuerligt bildas, som är fallet i klothopar, blir lätta svarta hål fort hopens tyngsta enskilda medlemmar. Svarta hål i klothopar väntas i allmänhet ha massor på runt fyra gånger snittmassan för de övriga stjärnorna i hopen. Enligt de senaste teorierna samlas de svarta hålen i en tät kärna i mitten av hopen, som utvecklas sedan oberoende av resten av stjärnorna. På grund av rörelserna i kärnan slungas de flesta av de svarta hålen ur ut hopen. Efter en miljard år finns bara ett fåtal kvar.

[4] Lätta svarta hål – som även kallas stjärnstora svarta hål eller kollapsarer – bildas då tunga stjärnor störtar samman under sin egen tyngd och exploderar som kraftfulla hypernovor (eller superluminösa supernovor). Kvar blir ett svart hål med massa som uppgår till större delen av stjärnan som exploderade, från ett par gånger solens massa till flera tiotals gånger tyngre än solen.

[5] Då inget ljus släpps ifrån svarta hål på grund av den extrema gravitationskraften, behövs andra sätt att upptäcka dem. Den vanligaste metoden är att observera röntgenstrålning eller radiostrålning från het materia i svarta hålets omgivning. Andra metoder behövs när det svarta hålet är osynligt därför att det är “inaktivt” och inte växelverkar med strålande het materia, som i det aktuella fallet.

[6] Det finns andra möjliga förklaringar till vad den osynliga medlemmen i detta dubbelsystem skulle kunna vara, men de är långt mindre övertygande. Den skulle kunna vara en trippelstjärna som består av två neutronstjärnor som kretsar kring varandra, med den stjärna som observerats som i sin tur kretsar kring dem. I detta scenario skulle var och en av neutronstjärnorna vara minst två gånger solens massa. Något sådant dubbelsystem har aldrig setts tidigare.

Mer information

Forskningsresultaten presenteras i en artikel med titel “A detached stellar-mass black hole candidate in the globular cluster NGC 3201”, av B. Giesers m .fl., som publiceras i tidskriften Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

I forskarlaget ingår Benjamin Giesers (Georg-August-Universität Göttingen, Tyskland), Stefan Dreizler (Georg-August-Universität Göttingen, Tyskland), Tim-Oliver Husser (Georg-August-Universität Göttingen, Tyskland), Sebastian Kamann (Georg-August-Universität Göttingen, Tyskland; Liverpool John Moores University, Liverpool, Storbritannien), Guillem Anglada Escudé (Queen Mary University of London, Storbritannien), Jarle Brinchmann (Leiden Observatory, Leiden University, Leiden, Nederlanderna; Universidade do Porto, CAUP, Porto, Portugal), C. Marcella Carollo (ETH, Zürich, Schweiz) Martin M. Roth (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Potsdam, Tyskland), Peter M. Weilbacher (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Potsdam, Tyskland) och Lutz Wisotzki (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Potsdam, Tyskland).

ESO, Europeiska sydobservatoriet, är Europas främsta samarbetsorgan för astronomisk forskning och världens mest produktiva astronomiska observatorium. Det stöds av 16 länder: Belgien, Brasilien, Danmark, Finland, Frankrike, Italien, Nederländerna, Polen, Portugal, Schweiz, Spanien, Storbritannien, Sverige, Tjeckien, Tyskland och Österrike. ESO:s ambitiösa verksamhet rör design, konstruktion och drift av avancerade markbaserade forskningsanläggningar som gör det möjligt för astronomer att göra banbrytande vetenskapliga upptäckter. ESO spelar dessutom en ledande roll i att främja och organisera samarbeten inom astronomisk forskning. ESO driver tre unika observationsplatser i Chile: La Silla, Paranal och Chajnantor. Vid Paranal finns Very Large Telescope, världens mest avancerade observatorium för synligt ljus, och två kartläggningsteleskop. VISTA arbetar i infrarött ljus och är världens största kartläggningsteleskop och VST (VLT Survey Telescope) är det största teleskopet som konstruerats enbart för att kartlägga himlavalvet i synligt ljus. ESO är en huvudpartner i ALMA, världens hittills största astronomiska projekt. Och på Cerro Armazones, nära Paranal, bygger ESO det europeiska extremt stora 39-metersteleskopet för synligt och infrarött ljus, E-ELT. Det kommer att bli ”världens största öga mot himlen”.

Länkar

●       Forskningsartikeln

●       Information om instrumentet MUSE på VLT

●       Foton av VLT

Kontakter

Benjamin Giesers
Georg-August-Universität Göttingen
Göttigen, Germany
E-post: giesers@astro.physik.uni-goettingen.de

Stefan Dreizler
Georg-August-Universität Göttingen
Göttigen, Germany
E-post: dreizler@astro.physik.uni-goettingen.de

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Mobil: +49 151 1537 3591
E-post: rhook@eso.org

Johan Warell (Presskontakt för Sverige)
ESO:s nätverk för vetenskaplig kommunikation
Skurup, Sverige
Tel: +46-706-494731
E-post: eson-sweden@eso.org

Connect with ESO on social media

Detta är den översatta versionen av ESO:s pressmeddelande eso1802 som har tagits fram inom ESON, ett nätverk av medarbetare i ESO:s medlemsländer. ESON-representanterna fungerar som lokala kontaktpersoner för media i samband med ESO:s pressmeddelanden och andra händelser. ESON:s kontaktperson i Sverige är Johan Warell.