Der künstlerische Eindruck eines Linsenereignisses. Licht (lila) krümmt sich um ein Objekt im Raum, z. B. ein Schwarzes Loch, und teilt sich in mehrere Pfade auf – einer kommt schneller als der andere.
Carl Knox, OzGrav
James Paynters Aufgabe war es, eine Nadel in einem Nadelstapel zu lokalisieren, während er einen Katalog von mehr als 2.700 energetischen Explosionen im Weltraum durchsuchte, die vom Compton Gamma-Ray Observatory der NASA erfasst wurden. Der Doktorand von der Universität von Melbourne wollte eine der Explosionen finden, einen Gammastrahlenausbruch, der „linsenförmig“ war – sein Weg wurde von einem riesigen kosmischen Objekt auf dem Weg zur Erde unterbrochen.
Am Ende seines Masterstudiums hatte er die Anzahl der Kandidaten auf nur eine Handvoll reduziert und nach der Entwicklung einiger fortgeschrittener Analysetechniken nur noch eine übrig.
Dieser Kandidat, bekannt als GRB 950830, wird in einer neuen Studie detailliert beschrieben: veröffentlicht am Montag in der Zeitschrift Nature Astronomyund das gigantische kosmische Objekt, das es herumschwingen musste, um seinen Weg zur Erde zu finden, ist ein „Schwarzes Loch mittlerer Masse“, eine seltene Rasse der kosmischen Schwerkraftquellen, die Astronomen gerade erst zu verstehen beginnen.
Goldlöckchen
Im Weltraum gibt es zwei bekannte Arten von Schwarzen Löchern: stellare Schwarze Löcher, die entstehen, wenn ein riesiger Stern explodiert und dann von selbst zusammenbricht, und supermassereiche Schwarze Löcher, die sich im Herzen von Galaxien befinden. Das supermassives Schwarzes Loch im Herzen der Messier 87-Galaxie war das Gegenstand des allerersten Bildes eines Schwarzen Lochs, schnappte im Jahr 2019.
Stellare Schwarze Löcher sind nur zehnmal so massereich wie die Sonne. Supermassive Schwarze Löcher können milliardenfach massiver sein. Die Region zwischen ihnen? „Wir sehen nichts zwischen diesen beiden Grenzen“, sagt Paynter.
Astrophysiker theoretisieren – und haben begonnen, schwarze Löcher in dieser sogenannten „Massenlücke“, der „Goldlöckchen“ -Zone, in der vermutlich schwarze Löcher mit durchschnittlicher Masse oder IMBH existieren, zu entdecken. Diese Schwarzen Löcher haben eine Größe zwischen dem 100- und 100.000-fachen der Sonnenmasse und sind ein fehlendes Bindeglied zwischen den winzigen Schwarzen Löchern, die den Kosmos verschmutzen, und den supermassiven Löchern im Zentrum der Galaxien.
Es wurden nur sehr wenige mittelschwarze Löcher definitiv nachgewiesen. Ein weiteres, kleineres Schwarzes Loch wurde im September 2020 entdeckt: Astronomen, die Gravitationswellen untersuchen, kündigten an Sie hatten eine IMBH mit einer Masse gefunden, die etwa 150-mal so groß war wie die der Sonne, entstanden durch die Verschmelzung zweier kleinerer Schwarzer Löcher.
Aber die von Paynter und den Co-Autoren Rachel Webster, einer Astrophysikerin an der Universität von Melbourne, und Eric Thrane, einer Astrophysikerin an der Monash University, entdeckte ist im Vergleich dazu ungeheuerlich.
„Unser IMBH ist viel größer“, sagt Paynter. „Aus stellaren Schwarzen Löchern geformt, hat es viele, viele Generationen von Fusionen durchlaufen, um seine beobachtete Masse zu erreichen.“
Ein vergleichbarer Kandidat mit einem Gewicht von ungefähr 50.000 Sonnen, 3XMM J215022.4-055108, war veröffentlicht im Astrophysical Journal Letters im März 2020, aber das wurde gefunden, als es einen nahe gelegenen Stern auseinander riss. Die von Paynter und Kollegen verwendete Methode verwendet Gravitationslinsen.
Die Linse der Schwerkraft
GRB 950830 ist ein kurzer Gammastrahlenstoß aus großer Entfernung. Die Forscher sind sich nicht sicher, woher es kam, aber es liegt irgendwo tief im dunklen Wald des Kosmos. Sie vermuten, dass der Ausbruch verursacht wurde, als zwei Neutronensterne kollidierten und extreme Energiemengen freisetzten.
Paynter suchte nach einem Gammastrahlenausbruch mit „Gravitationslinse“ aus dem BATSE-Instrument am Compton Gamma-Ray Observatory der NASA, der zwischen 1990 und 1999 etwa 2.700 Gammastrahlen-Pings aufnahm. „Wir wollten die beste Chance, ein Objektiv zu finden, deshalb haben wir uns für BATSE entschieden“, sagt Paynter.
GRB 950830 ist der einzige, den das Team mit einem Objektivdeckel gefunden hat.
„Meine ursprüngliche Aufregung bestand darin, die erste Gravitationslinse GRB zu finden, da trotz 30 Jahren Suche keine statistisch belastbaren Kandidaten gefunden wurden“, bemerkt Paynter. „Wir haben eine fortschrittliche Analysesoftware entwickelt, die die Erkennungsmethoden der Vergangenheit erheblich verbessert und es uns auch ermöglicht hat, Kandidaten nachdrücklich abzulehnen.“
Nach einigen weiteren Analysen ergab sich eine noch aufregendere Entdeckung. Die energetische Explosion hatte stattgefunden hinter ein mittelgroßes Schwarzes Loch.
Die unglaubliche Schwerkraft des IMBH krümmte alle Formen von Licht und elektromagnetischer Strahlung um sich herum. Als der Gammastrahlenstoß explodierte, wanderte er über das Universum auf uns zu. Als es jedoch auf das IMBH traf, teilte es das Signal auf, ein Phänomen, das als Gravitationslinsen bekannt ist.
Die Linse hat ein verräterisches Zeichen, ein Echo eines Signals, da ein Teil der Strahlung des Gammastrahlen-Bursts länger braucht, um den Detektor am Observatorium zu erreichen, wenn er sich um das IMBH krümmt. Es ist ein sehr subtiler Unterschied. „Obwohl wir viele Milliarden Lichtjahre zurückgelegt haben, um uns zu erreichen, beträgt dieser Unterschied in der Ankunftszeit für unseren Fall nur 400 ms“, erklärt Paynter.
Es ist keine endgültige Erkennung eines IMBH, aber es ist ein weiterer guter Kandidat. Es hilft Astronomen auch dabei, abzuschätzen, wie viele dieser IMBHs sich im Weltraum befinden können. Ihre Berechnungen deuten darauf hin, dass sie in unserer Umgebung in der Milchstraße etwa 46.000 betragen könnten, aber Paynter sagt, dass die Messung sehr unsicher ist. Die Suche nach mehr Objektivkandidaten würde dazu beitragen, die Unsicherheit zu verringern.
„Idealerweise werden wir in Zukunft auch andere Kataloge analysieren“, sagt Paynter.
Vielleicht, so Thrane, könnten die IMBHs alte Relikte des frühen Universums aus einer Zeit sein, bevor Sterne und Galaxien gebildet wurden. Wenn ja, könnten sie „die Samen der supermassiven Schwarzen Löcher sein, die heute in den Herzen der Galaxien leben“.
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