Gwiazdy zombie w sercu Drogi Mlecznej stawiają czoła czasowi

Nowe badania przeprowadzone przez Northwestern University wykorzystujące symulacje 1000 gwiazd wokół supermasywnej czarnej dziury Sagittarius A* w Drodze Mlecznej ujawniają, że zderzenia gwiazd z dużą prędkością prowadzą do powstawania młodo wyglądających gwiazd. Gwiazdy te albo stają się abstrakcyjne i mają niską masę, albo łączą się w masywne byty, prezentując odnowiony wygląd pomimo swojego starożytnego pochodzenia. Źródło: SciTechDaily.com

Nowe badania śledzą losy gwiazd żyjących w pobliżu planety droga MlecznaCentralność Czarna dziura.

Pomimo swojego starożytnego wieku, niektóre gwiazdy krążące wokół centralnej supermasywnej czarnej dziury Drogi Mlecznej wyglądają na zwodniczo młode. Ale w przeciwieństwie do ludzi, którzy mogą wyglądać na odmłodzonych po nowej serii zastrzyków z kolagenu, gwiazdy te wyglądają młodziej z mroczniejszego powodu.

Zjedli swoich sąsiadów.

To tylko jeden z bardziej zaskakujących wyników nowości Uniwersytet Północno-Zachodni badania. Korzystając z nowego modelu, astrofizycy śledzili gwałtowne podróże 1000 symulowanych gwiazd krążących wokół centralnej supermasywnej czarnej dziury naszej galaktyki, Strzelca A* (Sgr A*).

Ponieważ jest tak zatłoczony gwiazdami, w regionie często dochodzi do brutalnych zderzeń gwiazd. Symulując skutki tych intensywnych zderzeń, nowe prace odkrywają, że obiekty, które przeżyły zderzenia, mogą stracić masę, stając się nagimi gwiazdami o małej masie, lub mogą łączyć się z innymi gwiazdami, aby stać się masywnymi i odmłodzonymi.

„Obszar wokół centralnej czarnej dziury jest gęsty i zawiera gwiazdy poruszające się z bardzo dużymi prędkościami” – powiedziała Sania C. Rose z Northwestern University, która kierowała badaniami. „To trochę jak bieganie po niesamowicie zatłoczonej stacji metra w Nowym Jorku w godzinach szczytu. Jeśli nie wpadasz na innych ludzi, to ich mijasz. W przypadku gwiazd te bliskie zderzenia wciąż powodują, że wchodzą w interakcję z grawitacją Chcieliśmy zbadać, co te zderzenia i interakcje oznaczają dla gwiazd, oraz opisać ich skutki.

Ta ilustracja przedstawia orbity gwiazd znajdujących się bardzo blisko Sagittarius A*, supermasywnej czarnej dziury w sercu Drogi Mlecznej. Źródło: ESO / L. Calçada / Spaceengine.org

Rose zaprezentowała wyniki swoich badań dzisiaj (4 kwietnia) na kwietniowym spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego (APS) w Sacramento w Kalifornii. „Zderzenia gwiazd w centrum galaktyki” były częścią sesji „Fizyka cząstek astro i centrum galaktyki”.

Rose jest stażystką podoktorską Lindheimera w Centrum Interdyscyplinarnych Poszukiwań i Badań Astrofizycznych Northwestern (CIERA). Rozpocząłem tę pracę jako doktorant. Kandydat w Uniwersytet KalifornijskiDoradzał jej astrofizyk i były pracownik naukowy ze stopniem doktora na Northwestern University Smadar Naoz.

Przeznaczony do zderzenia

Centrum naszej Galaktyki Drogi Mlecznej to dziwne i dzikie miejsce. Siła grawitacji Sagittarius A* przyspiesza obrót gwiazd wokół ich orbit z przerażającą prędkością. Ogromna liczba gwiazd stłoczonych w centrum galaktyki sięga miliona gwiazd. Gęsto upakowany zestaw plus zawrotna prędkość oznaczają szybkie derby rozbiórki. W najbardziej wewnętrznym obszarze – w promieniu 0,1 parseka od czarnej dziury – kilka gwiazd wydostaje się bez szwanku.

„Gwiazda najbliższa naszemu Słońcu znajduje się w odległości około czterech lat świetlnych” – wyjaśniła Rose. „W tej samej odległości w pobliżu supermasywnej czarnej dziury znajduje się ponad milion gwiazd. To niesamowicie zatłoczona okolica. Co więcej, supermasywna czarna dziura ma naprawdę silną grawitację. Gwiazdy krążące wokół czarnej dziury mogą się poruszać z prędkością tysięcy kilometrów na sekundę.”

A w tym wąskim, gorączkowym sąsiedztwie gwiazdy mogą zderzać się z innymi gwiazdami. Im bliżej gwiazdy zbliżają się do supermasywnej czarnej dziury, tym większe jest prawdopodobieństwo, że się zderzą. Ciekawi wyników tych zderzeń, Rose i jej współpracownicy opracowali symulacje umożliwiające śledzenie losów gromad gwiazd w centrum galaktyki. Symulacja uwzględnia kilka czynników: gęstość masy gwiazdy, masę gwiazdy, prędkość orbitalną, grawitację i odległości od Strzelca A*.

Od „brutalnych piątek” po totalne fuzje

W swoich badaniach Rose zidentyfikowała jeden czynnik, który prawdopodobnie zadecyduje o losie gwiazdy: jej odległość od supermasywnej czarnej dziury.

W odległości 0,01 parseka od czarnej dziury gwiazdy – poruszające się z prędkością tysięcy kilometrów na sekundę – nieustannie zderzają się ze sobą. Rzadko jest to zderzenie czołowe, ale bardziej przypomina „brutalny nokaut”, jak to opisuje Rose. Uderzenia nie są na tyle silne, aby całkowicie rozbić gwiazdy. Zamiast tego zrzucają swoje zewnętrzne warstwy i kontynuują jazdę wzdłuż ścieżki kolizji.

„Wpadają na siebie i idą dalej” – powiedziała Rose. „Pasują się nawzajem, jakby wymieniały bardzo gwałtowne ciosy. To powoduje, że gwiazdy wyrzucają część materii i tracą swoje zewnętrzne warstwy. W zależności od tego, jak szybko się poruszają i jak bardzo nachodzą na siebie podczas zderzenia, mogą stracić znaczną część ich zewnętrzne warstwy. Te niszczycielskie zderzenia skutkują powstaniem grupy dziwnych gwiazd o małej masie.

Powyżej 0,01 parseka gwiazdy poruszają się w spokojniejszym tempie – raczej setki kilometrów na sekundę niż tysiące. Z powodu małych prędkości gwiazdy te zderzają się ze sobą, ale wtedy nie mają wystarczającej energii, aby uciec. Zamiast tego łączą się, stając się bardziej masywne. W niektórych przypadkach mogą połączyć się kilka razy, aby stać się dziesięć razy większe od naszego Słońca.

„Niektóre gwiazdy wygrywają na loterii kolizyjnej” – powiedziała Rose. „Poprzez zderzenia i połączenia gwiazdy te gromadzą więcej wodoru. Mimo że powstały ze starszych ludzi, udają odmłodzone gwiazdy. Są jak gwiazdy zombie. Zjadają swoich sąsiadów.”

Jednak młody wygląd odbywa się kosztem krótszej średniej długości życia.

„Umierają bardzo szybko” – powiedziała Rose. „Masywne gwiazdy są jak gigantyczne samochody, które zużywają dużo paliwa. Zaczynają od dużej ilości wodoru, ale bardzo szybko go spalają.”

Surowe środowisko „niezrównane”

Chociaż Rose czerpie przyjemność z badania ekstremalnego i dziwnego obszaru w pobliżu centrum naszej galaktyki, jej prace mogą również ujawnić informacje na temat historii Drogi Mlecznej. Ponieważ gromada centralna jest trudna do monitorowania, symulacje jej zespołu mogą rzucić światło na ukryte procesy.

„To środowisko jak żadne inne” – stwierdziła Rose. „Gwiazdy znajdujące się pod wpływem supermasywnej czarnej dziury w bardzo zatłoczonym regionie nie przypominają niczego, co kiedykolwiek zobaczymy w naszym sąsiedztwie Słońca. Ale jeśli uda nam się zidentyfikować te gromady gwiazd, być może uda nam się dowiedzieć o nich czegoś nowego jak zbudowane jest centrum galaktyki. Przynajmniej doceniam, z pewnością stanowi to punkt kontrastu w stosunku do sąsiedztwa, w którym żyjemy.

Prezentacja Rose dla APS obejmowała opublikowane przez nią badania the Listy do dzienników astrofizycznych W marcu 2024 r. i do the Dziennik astrofizyczny We wrześniu 2023 r.

Bibliografia:

„Modulacja kolizyjna profili gęstości gromad gwiazd jądrowych” autorstwa Sanyi C. Rose i Morgan MacLeod, 22 lutego 2024 r., Listy do dzienników astrofizycznych.
doi: 10.3847/2041-8213/ad251f

„Stellar Collisions at the Center of the Galaxy: Massive Stars, Collision Remnants and Missing Red Giants”, Sana C. Rose, Smadar Naoz, Reem Sari i Itay Lineal, 14 września 2023 r., Dziennik astrofizyczny.
doi: 10.3847/1538-4357/acee75

Praca ta była wspierana przez National Science Foundation (grant nr AST 2206428) i NASA (Grant nr 80NSSC20K050), a także ze stypendium Charlesa E. Younga, stypendium UCLA Dissertation Year Fellowship, Thacher Fellowship, Bhowmick Institute i CIERA Lindheimer Fellowship.