“Lähin musta aukko”-järjestelmässä ei sittenkään ole mustaa aukkoa

eso2204fi — Tutkimustiedote 2. maaliskuuta 2022

Vuonna 2020 Euroopan eteläisen observatorion (ESO) tähtitieteilijöiden johtama tutkimusryhmä ilmoitti Maata lähimmästä mustasta aukosta, joka sijaitsee vain 1 000 valovuoden päässä HR 6819 -järjestelmässä. Muut tutkijat ovat kuitenkin kiistäneet heidän tutkimuksensa tulokset. Näihin kuuluu kansainvälinen KU Leuvenissa, Belgiassa toimiva tutkimusryhmä. Tänään julkaistussa tieteellisessä artikkelissa nämä kaksi tutkimusryhmää kertovat, että HR 6819:ssä ei itse asiassa olekaan mustaa aukkoa, vaan sen sijaan se on ”vampyyri”, joka on todellisuudessa kahden tähden järjestelmä sen kehityksen harvinaisessa ja lyhytaikaisessa vaiheessa.

Uusi tutkimus, jossa käytettiin ESO:n Very Large Telescope - ja Very Large Telescope -interferometrien tietoja, on paljastanut, että HR 6819, jonka aiemmin uskottiin olevan kolminkertainen järjestelmä, jossa on musta aukko, onkin itse asiassa kahden tähden järjestelmä, jossa ei ole mustaa aukkoa. Tutkijat, KU Leuven-ESO -tiimi, uskovat havainneensa tätä binäärijärjestelmää hetkessä sen jälkeen, kun yksi tähdistä oli imenyt kaasukehän kumppanistaan, ilmiötä, jota usein kutsutaan "tähtien vampyrismiksi". Tämän taiteilijan tekemä kuva osoittaa, miltä järjestelmä voisi näyttää; se koostuu ellipsisestä tähdestä, jonka ympärillä on kaasukiekko ("vampyyri" tähti etualalla) ja B-tyypin tähdestä, joka kaasukehä on riipiytynyt (tausta). Kuva ESO / L. Tie.

HR 6819:n alkuperäinen tutkimus keräsi laajalti lehdistön ja tutkijoiden huomiota. Thomas Rivinius, joka on Chilessä työskentelevä ESO:n tähtitieteilijä ja kyseisen artikkelin pääkirjoittaja, ei ollut yllättynyt tähtitiedeyhteisön reaktioista mustan aukon löytämiseen. ”Ei ole ainoastaan normaalia, vaan erityisen tarpeellista, että tuloksia arvioidaan kriittisesti”, hän sanoi, ”ja tulosta, joka kerää laajasti huomiota, vieläkin enemmän.”

Rivinius ja hänen kollegansa olivat vakuuttuneita siitä, että paras selitys MPG/ESO 2.2-metrin teleskoopin tekemille havainnoille oli, että HR 6819 oli kolmoisjärjestelmä. Siinä yksi tähti kiertää mustaa aukkoa 40 päivän välein ja toinen tähti on paljon kaukaisemmalla kiertoradalla. Julia Bodensteinerin johtamassa tutkimuksessa (silloin väitöskirjan tekijänä KU Leuvenissa Belgiassa), ehdotettiin kuitenkin toisenlaista selitystä samoille tiedoille: HR 6819 voisi olla myös järjestelmä, jossa onkin vain kaksi tähteä 40 päivän kiertoradalla eikä mustaa aukkoa lainkaan. Tämä vaihtoehtoinen skenaario tarkoittaisi sitä, että toinen tähti olisi aikaisemmin menettänyt suuren osan massastaan toiselle tähdelle.

”Olimme saavuttaneet nykyisestä datasta saatavilla olevan tiedon rajan, joten jouduimme kääntymään erilaisen havainnointistrategian pariin, jotta pystyismme päättämään kahden tutkimusryhmän ehdottamien skenaarion välillä”, KU Leuvenin tutkija Abigail Frost, joka johti tänään Astronomy & Astrophysics lehdessä julkaistua uutta tutkimusta, sanoi.

Tämän arvoituksen ratkaisemiseksi nämä kaksi tutkimusryhmää työskentelivät yhdessä saadakseen uutta ja tarkempaa tietoa HR 6819:sta ESO:n VLT-teleskoopin (Very Large Telescope) avulla ja VLTI-interferometrillä. ”Ainoastaan VLTI pystyi antamaan meille juuri ne ratkaisevat tiedot, joita tarvitsimme erottaaksemme nämä kaksi selitystä toisistaan”, Dietrich Baade sanoi. Hän oli mukana sekä alkuperäisessä HR 6819-tutkimuksessa että uudessa Astronomy & Astrophysics lehdessä julkaistussa tutkimuksessa. Koska ei ollut järkevää pyytää samaa havaintoa toistamiseen, nämä kaksi ryhmää yhdistivät voimansa, mikä antoi heille mahdollisuuden yhdistää resurssinsa ja tietonsa selvittääkseen tämän järjestelmän todellisen luonteen.

”Etsimämme vaihtoehdot olivat melko selkeitä, hyvin erilaisia toisistaan ja helposti erotettavissa oikealla instrumentilla”, Rivinius sanoi. ”Sovimme, että järjestelmässä oli kaksi valonlähdettä. Avoin kysymys oli, kiertävätkö ne toisiaan hyvin lähellä, kuten hajoavan tähden skenaariossa, vai ovatko ne kaukana toisistaan, kuten mustan aukon skenaariossa.”

Näiden kahden vaihtoehdon erottamiseksi tähtitieteilijät käyttivät sekä VLTI:n GRAVITY-instrumenttia, että ESO:n VLT:ssä olevaa Multi Unit Spectroscopic Explorer, eli MUSE-instrumenttia.

”MUSE vahvisti, ettei laajemmalla kiertoradalla ollut kirkasta seuralaista, kun taas GRAVITYn suuren erotuskyvyn ansiosta pystyttiin erottamaan kaksi kirkasta valopistettä, joiden keskinäinen etäisyys on vain kolmannes Maan ja Auringon välisestä etäisyydestä”, Frost sanoi. ”Tämä tieto oli palapelin viimeinen pala, jonka avulla pääteltiin, että HR 6819 on kaksoistähtijärjestelmä, jossa ei ole mustaa aukkoa.”

”Paras tulkintamme järjestelmästä tähän mennessä on, että havaitsemme tätä kaksoistähtijärjestelmää hieman sen jälkeen, kun toinen tähdistä oli riistänyt kaasukehän pois kumppanitähdestään. Tämä on läheisissä kaksoistähtijärjestelmissä yleinen tapahtuma, jota joskus kutsutaan yleisesti nimellä ”tähtien vampirismi”, Bodensteiner selitti. Hän on nyt ESO felow Saksassa ja yksi uuden tutkimuksen kirjoittajista. ”Samalla kun luovuttajatähdeltä riistettiin osa sen materiasta, niin vastaanottajatähti alkoi pyöriä nopeammin.”

”Tällaisen keskinäisen vuorovaikutuksen jälkeisen hetken havaitseminen on erittäin vaikeaa, koska se on niin lyhytkestoinen”, Frost lisäsi. ”Tämä tekee HR 6819:n havainnoista erittäin jännittäviä, koska se on täydellinen kohde, jonka avulla voidaan tutkia, miten tämä vampirismi vaikuttaa massiivisten tähtien kehitykseen. Tämä puolestaan lisää tietoamme näihin kohteisiin liittyvistä ilmiöistä, kuten gravitaatioaalloista ja rajuista supernovaräjähdyksistä.”

Tämä juuri perustettu Leuven-ESO:n yhteinen tutkimusryhmä aikoo nyt seurata HR 6819:ää tarkemmin VLTI:n GRAVITY-instrumentin avulla. Tutkijat tulevat tekemään järjestelmästä yhteistä tutkimusta ymmärtääkseen paremmin sen kehitystä, ominaisuuksia. Tämän tiedon avulla tutkijat saavat lisää tietoa myös muista kaksoistähtijärjestelmistä.

Mustien aukkojen etsimisen osalta tutkimusryhmä pysyy optimistisena. ”Tähtien massaiset mustat aukot ovat luonteeltaan hyvin vaikeasti ymmärrettäviä”, Rivinius sanoi. ”Mutta suuruusarviona voidaan sanoa, että pelkästään Linnunradalla on kymmeniä tai satoja miljoonia mustia aukkoja”, Baade lisäsi. On vain ajan kysymys, kunnes tähtitieteilijät löytävät ne.

Huomautukset

Tämä tutkimus on esitelty artikkelissa “HR 6819 is a binary system with no black hole: Revisiting the source with infrared interferometry and optical integral field spectroscopy” (DOI: 10.1051/0004-6361/202143004), joka ilmestyy Astronomy & Astrophysics julkaisussa.

 

Tarkimmat kuvat Linnunradan keskustan alueelta

ESO2119fi — Tutkimustiedote

Euroopan eteläisen observatorion Very Large Telescope Interferometer (ESO:n VLTI) on ottanut tähän mennessä tarkimmat kuvat galaksimme keskellä olevasta alueesta supermassiivisen mustan aukon ympäriltä. Uudet kuvat tarkentavat aluetta 20 kertaiseksi verrattuna aikaan ennen VLTI:tä. Tämän ansiosta tähtitieteilijät ovat löytäneet uuden tähden mustan aukon läheltä. Linnunradan keskellä sijaitsevien tähtien kiertoratoja seuraamalla tutkimusryhmä on saanut arvioitua mustan aukon massan entistä tarkimmin.

Nämä kuvat, jotka on otettu ESO:n Very Large Telescope Interferometrin (VLTI) GRAVITY-instrumentilla maalis-—heinäkuussa 2021, näyttävät hyvin lähellä Sgr A*:ta olevia tähtiä. Yksi näistä tähdistä, nimeltään S29, havaittiin lähestyvän mustaa aukkoa 13 miljardin kilometrin etäisyyteen, mikä on vain 90 kertaa Auringon ja Maan välinen etäisyys. Toinen tähti, nimeltään S300, havaittiin ensimmäistä kertaa uusissa VLTI-havainnoissa. Kuva ESO / GRAVITY yhteistyö. Klikkaa kuvaa suuremmaksi.

”Haluamme oppia enemmän Linnunradan keskellä olevasta mustasta aukosta, Sagittarius A*:sta. Kuinka massiivinen se tarkalleen on? Pyöriikö se? Käyttäytyvätkö sen ympärillä olevat tähdet täsmälleen niin kuin Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian perusteella odotamme? Paras tapa saada vastaus näihin kysymyksiin on seurata supermassiivista mustaa aukkoa lähellä olevien tähtien kiertoratoja. Olemme nyt osoittaneet, että voimme tehdä sen tarkemmin kuin koskaan ennen”, Reinhard Genzel, johtaja Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) Garchingista Saksasta, kertoi. Hän sai Nobelin palkinnon vuonna 2020 Sagittarius A*:n tutkimuksesta. Genzel ja hänen ryhmänsä uusimmat tulokset, jotka laajentavat kolmen vuosikymmenen aikana tehtyjä tutkimuksia Linnunradan supermassiivista mustaa aukkoa kiertävistä tähdistä, julkaistaan tänään kahdessa julkaisussa Astronomy & Astrophysics lehdessä.

Tutkimusryhmän, joka tunnetaan nimellä GRAVITY-kollaboraatio, pyrkimyksenä on löytää mustan aukon läheltä lisää tähtiä. Ryhmä kehitti uuden analyysitekniikan, jonka avulla he ovat saaneet syvimmät ja terävimmät kuvat galaksimme keskustasta. ”VLTI:n ansiosta saavutamme tämän uskomattoman tarkkuuden ja uusien kuvien avulla näemme syvemmälle kuin koskaan ennen. Yksityiskohtien määrä on hämmästyttävä, ja ne ovat paljastaneet mustan aukon läheisyydestä useita tähtiä ja niiden liikkeitä,” Julia Stadler, tutkija Max Planckin astrofysiikan instituutista Garchingista, sanoi. Ollessaan MPE:ssä hän johti tutkimusryhmässä kuvien ottamista. Merkillepantavaa on, että he löysivät tähden nimeltään S300, jota ei aiemmin oltu havaittu. Tämä osoittaa, kuinka tehokas tämä menetelmä on Sagittarius A*:n lähellä olevien erittäin himmeiden kohteiden havaitsemisessa.

Viimeisimpien maalis-—heinäkuun 2021 välisenä aikana tehtyjen havaintojen avulla tutkimusryhmä keskittyi tekemään tarkkoja mittauksia tähdistä niiden lähestyessä mustaa aukkoa. Näihin kuului ennätystähti S29, joka oli lähimpänä mustaa aukkoa toukokuun lopulla 2021. Se ohitti sen vain 13 miljardin kilometrin etäisyydeltä, joka vastaa noin 90-kertaista Auringon ja Maan välistä etäisyyttä, valtavalla nopeudella (8 740 kilometriä sekunnissa). Minkään muun tähden ei ole koskaan havaittu kulkevan niin läheltä mustaa aukkoa, tai etenevän niin nopeasti mustan aukon ympäri.

Tutkimusryhmän mittaukset ja kuvat olivat mahdollisia GRAVITYn ansiosta. Se on ainutlaatuinen instrumentti, jonka yhteistyöverkosto on rakentanut Chilessä sijaitsevalle ESO:n VLTI:lle. GRAVITY yhdistää ESO:n VLT-teleskoopin (Very Large Telescope) neljän 8,2 metrin teleskoopin valon interferometriaksi kutsutulla tekniikalla. Tämä on monimutkainen menetelmä, ”mutta lopulta saadut kuvat ovat 20 kertaa terävämpiä kuin pelkästään yksittäisistä VLT-teleskoopeista saadut kuvat, paljastaen galaktisen keskuksen salaisuudet”, Frank Eisenhauer MPE:stä ja GRAVITYn päätutkija, sanoi.

”Seuraamalla Sagittarius A*:n läheisillä kiertoradoilla olevien tähtien ratoja pystymme tarkasti tutkimaan Maata lähimmän massiivisen mustan aukon gravitaatiokenttää, sekä pystymme testaamaan yleistä suhteellisuusteoriaa ja määrittämään mustan aukon ominaisuuksia”, Genzel selitti. Tutkimusryhmän uudet havainnot yhdessä aiempien tietojen kanssa vahvistivat, että tähtien radat vastaavat täsmälleen yleisen suhteellisuusteorian ennustuksia mustan aukon läheisyydessä liikkuville kappaleille, kun mustan aukon massa on 4,30 miljoonaa auringon massaa. Tämä on tähän mennessä tarkin arvio Linnunradan keskellä olevalle mustan aukon massalle. Tutkijat onnistuivat myös hienosäätämään Sagittarius A*:n etäisyyttä Maasta ja he havaitsivat sen olevan 27 000 valovuoden päässä meistä.

Uusien kuvien saamiseksi tähtitieteilijät käyttivät koneoppimismenetelmää nimeltään Information Field Theory. He mallintivat sitä, miltä todelliset kohteet näyttäisivät ja simuloivat kuinka GRAVITY näkisi ne, ja vertasivat simulaatiota GRAVITYn havaintoihin. Tämän ansiosta he pystyivät löytämään ja seuraamaan tähtiä Sagittarius A*:n läheisyydestä ennennäkemättömän tarkasti. GRAVITY-havaintojen lisäksi tutkimusryhmä käytti NACOn ja SINFONIn dataa, jotka ovat kaksi aikaisempaa VLT-instrumenttia. Tämän lisäksi he hyödynsivät Yhdysvaltalaisten Keckin observatorion ja NOIRLabin Gemini-observatorion havaintoja.

GRAVITY päivitetään GRAVITY+ -versioon myöhemmin tällä vuosikymmenellä. Se asennetaan myös ESO:n VLTI-järjestelmään, joka entisestään lisää havaintoherkkyyttä, jolloin himmeitä tähtiä voidaan havaita vielä lähempää mustaa aukkoa. Tutkimusryhmän tavoitteena on lopulta havaita tähtiä niin läheltä mustaa aukkoa, että mustan aukon pyörimisen aiheuttamat painovoimavaikutukset näkyisivät niiden kiertoajoissa. Chilen Atacaman autiomaassa rakenteilla oleva ESO:n tuleva Extremely Large Telescope (Erittäin suuri kaukoputki) mahdollistaa näiden tähtien nopeuden erittäin tarkan määrittämisen. ”Kun GRAVITY+:n ja ELT:n voimat yhdistetään, pystymme selvittämään, kuinka nopeasti musta aukko pyörii”, Eisenhauer sanoi. ”Tähän mennessä kukaan ei ole siihen pystynyt.”

Videoanimaatio 

Seuraavasta linkistä löytyy videoanimaatio Sagitarius A*:ta kiertävistä tähdistä.

https://cdn.eso.org/videos/hd_and_apple/eso2119b.m4v