Des astronomes ont découvert le trou noir le plus proche sur Terre – dans l’arrière-cour cosmique

Le télescope Gemini North à Hawaï révèle le premier amas d’étoiles dormant[{ » 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.

Cette animation montre une étoile semblable au soleil en orbite autour de Gaia BH1, le trou noir le plus proche de la Terre, situé à environ 1 600 années-lumière. Les observations de Gemini North, l’un des télescopes jumeaux de l’Observatoire international Gemini, exploité par le NOIRLab de la NSF, ont été cruciales pour limiter le mouvement orbital et donc les masses des deux composants du système binaire, permettant à l’équipe d’identifier l’objet central comme un trou noir d’environ 10 fois la masse de notre Soleil. Crédit : T. Müller (MPIA), PanSTARRS DR1 (KC Chambers et al. 2016), ESA/Gaia/DPAC

« Prenez le système solaire, mettez un trou noir là où se trouve le soleil, et le soleil se trouve là où se trouve la Terre, et vous aurez ce système », explique Karim El-Badri, astrophysicien au Centre d’Astrophysique. Harvard, Smithsonian et Max Planck Institute for Astronomy, et auteur principal de l’article décrivant cette découverte, publié le 2 novembre dans Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.

Bien qu’il y ait eu de nombreuses découvertes revendiquées de tels systèmes, presque toutes ces découvertes ont par la suite été réfutées. Il s’agit de la première découverte sans équivoque d’une étoile semblable au soleil sur une large orbite autour d’un trou noir de masse stellaire dans notre galaxie.

Bien qu’il existe des millions de trous noirs de masse stellaire parcourant la Voie lactée, très peu ont été découverts grâce à leurs interactions actives avec une étoile compagne. Lorsque la matière d’une étoile proche tourne dans la direction du trou noir, elle devient extrêmement chaude et génère de puissants rayons X et des jets de matière. Si un trou noir ne se nourrit pas activement (c’est-à-dire qu’il est endormi), il fusionne simplement avec son environnement.

« J’ai recherché des trous noirs dormants au cours des quatre dernières années en utilisant un large éventail d’ensembles de données et de méthodes », a déclaré Al-Badri. « Mes tentatives précédentes – ainsi que celles d’autres – ont donné naissance à un éventail de systèmes binaires déguisés en trous noirs, mais c’est la première fois que la recherche se concrétise. »

L’équipe a initialement identifié le système comme hébergeant potentiellement un trou noir en analysant les données de Agence spatiale européenne Vaisseau spatial Gaïa. Gaia a capturé les minuscules irrégularités dans le mouvement de l’étoile causées par la gravité d’un objet massif et invisible. Pour explorer le système plus en détail, Al-Badri et son équipe se sont tournés vers l’instrument Gemini Multi-Object Spectrograph à Gemini North, qui a mesuré la vitesse de l’étoile compagnon alors qu’elle tournait autour du trou noir et a fourni une mesure précise de la période de son orbite. . Les observations de suivi de Gemini ont été cruciales pour limiter le mouvement orbital et donc les masses des deux composants du système binaire, permettant à l’équipe d’identifier l’objet central comme un trou noir d’environ 10 fois la masse de notre soleil.

Al-Badri a expliqué que « nos observations du suivi de Gemini ont confirmé sans aucun doute que le binaire contient une étoile ordinaire et au moins un trou noir dormant ». « Nous n’avons pas été en mesure de trouver un scénario astrophysique plausible qui pourrait expliquer l’orbite observée d’un système qui ne comprend pas au moins un trou noir. »

L’équipe s’est appuyée non seulement sur les capacités de surveillance impressionnantes de Gemini North, mais également sur la capacité de Gemini à fournir des données dans un délai serré, car l’équipe n’avait que peu de temps pour faire ses observations de suivi.

« Lorsque nous avons eu les premières indications que le système contenait un trou noir, nous n’avions qu’une semaine avant que les deux objets soient à leur séparation orbitale la plus proche. Des mesures à ce stade sont nécessaires pour faire des estimations précises de la masse dans un système binaire », Al -Badri a dit. « La capacité de Gemini à fournir des commentaires sur une courte échelle de temps était essentielle au succès du projet. Si nous manquions cette fenêtre étroite, nous devions attendre une autre année. »

Il est difficile d’appuyer sur les modèles actuels des astronomes de l’évolution des systèmes binaires pour expliquer comment la formation particulière de Gaia BH1 est apparue. Plus précisément, l’étoile progénitrice qui s’est transformée plus tard en trou noir nouvellement découvert avait au moins vingt fois la masse de notre soleil. Cela signifie qu’elle n’aurait vécu que quelques millions d’années. Si les deux étoiles se formaient en même temps, cette étoile massive se transformerait rapidement en une supergéante, gonflant et engloutissant l’autre étoile avant qu’elle n’ait le temps de devenir une véritable étoile de séquence principale brûlant de l’hydrogène comme notre Soleil.

On ne sait pas du tout comment une étoile de masse solaire pourrait survivre à cet anneau et finir comme une étoile apparemment normale, comme le suggèrent les observations d’un trou noir binaire. Tous les modèles théoriques qui permettent la survie prédisent que l’étoile de masse solaire aurait dû se retrouver sur une orbite plus étroite que celle réellement observée.

Cela peut indiquer des lacunes importantes dans notre compréhension de la formation et de l’évolution des trous noirs dans les systèmes binaires, ainsi que suggérer l’existence d’un groupe encore inexploré de trous noirs dormants dans les binaires.

« Il est intéressant de noter que ce système ne peut pas être facilement adapté par des modèles d’évolution binaire standard », a conclu Al-Badri. « Cela soulève de nombreuses questions sur la formation de ce système binaire, ainsi que sur le nombre de trous noirs cachés. »

« Dans le cadre d’un réseau d’observatoires spatiaux et terrestres, Gemini North a non seulement fourni des preuves solides du trou noir le plus proche à ce jour, mais a également fourni le premier système de trous noirs original, disposé dans le gaz chaud habituel interagissant avec un noir. trou », a déclaré Martin Steele, responsable du programme Gemini pour la Fondation NSF. « Bien que cela préfigure potentiellement de futures découvertes de l’amas attendu de trous noirs dormants de notre galaxie, les observations laissent également un mystère à résoudre – malgré l’histoire partagée avec son voisin extraterrestre, pourquoi une étoile compagne dans ce système binaire est-elle si normale ? »

Référence : « Étoile semblable au soleil en orbite autour d’un trou noir » par 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 et Jennifer Wuino, 2 novembre 2022, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
DOI : 10.1093/mnras/stac3140

Les notes Gemini North ont été réalisées dans le cadre du programme de temps estimé du directeur (ID de programme : GN-2022B-DD-202).

L’Observatoire international Gemini est géré par un partenariat de six pays, dont les États-Unis par l’intermédiaire de la National Science Foundation, le Canada par l’intermédiaire du Conseil national de recherches du Canada, le Chili par l’intermédiaire de l’Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo, le Brésil par l’intermédiaire du ministère des Sciences et de la Technologie. e Inovações, l’Argentine par l’intermédiaire du Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación, et la Corée par l’intermédiaire de l’Institut coréen d’astronomie et des sciences spatiales. Ces participants et l’Université d’Hawaii, qui a un accès régulier à Gemini, maintiennent chacun un « bureau national Gemini » pour soutenir les utilisateurs locaux.