Pomimo swojego starożytnego wieku, niektóre gwiazdy krążące wokół centralnej supermasywnej czarnej dziury Drogi Mlecznej wydają się zwodniczo młode. Jednak w przeciwieństwie do ludzi, którzy mogą wyglądać na odmłodzonych po świeżej serii zastrzyków z kolagenu, gwiazdy te wyglądają młodo ze znacznie mroczniejszego powodu.
Zjedli swoich sąsiadów.
To tylko jedno z bardziej osobliwych odkryć nowego badania Northwestern University. Korzystając z nowego modelu, astrofizycy prześledzili gwałtowne podróże 1000 symulowanych gwiazd krążących wokół centralnej supermasywnej czarnej dziury naszej galaktyki, Strzelca A* (Sgr A*).
W regionie tak gęsto upakowanym gwiazdami często dochodzi do brutalnych zderzeń gwiazd. Symulując skutki tych intensywnych zderzeń, nowe prace odkrywają, że obiekty, które przeżyły zderzenia, mogą stracić masę, stając się rozebranymi gwiazdami o małej masie lub mogą łączyć się z innymi gwiazdami, aby stać się masywnymi i odmłodzonymi wyglądem.
„Obszar wokół centralnej czarnej dziury jest gęsty od gwiazd poruszających się z niezwykle dużymi prędkościami” – powiedziała Sanaea C. Rose z Northwestern, która kierowała badaniami. „To trochę jak bieganie przez niezwykle zatłoczoną stację metra w Nowym Jorku w godzinach szczytu. Jeśli nie zderzasz się z innymi ludźmi, to mijasz ich bardzo blisko. W przypadku gwiazd te bliskie kolizje wciąż powodują ich interakcję grawitacyjnie. Chcieliśmy zbadać, co te zderzenia i interakcje oznaczają dla populacji gwiazd i scharakteryzować ich skutki.”
Rose zaprezentuje wyniki tych badań na kwietniowym spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego (APS) w Sacramento w Kalifornii. „Zderzenia gwiazd w Centrum Galaktyki” odbędą się w czwartek (4 kwietnia) w ramach sesji „Astrofizyka cząstek i Centrum Galaktyki”.
Rose jest stażystką podoktorską Lindheimera w Centrum Interdyscyplinarnych Poszukiwań i Badań Astrofizycznych Northwestern (CIERA). Pracę tę rozpoczęła jako doktorantka. kandydat na UCLA.
Przeznaczony do zderzenia
Centrum naszej Drogi Mlecznej to dziwne i dzikie miejsce. Przyciąganie grawitacyjne Sgr A* przyspiesza gwiazdy do poruszania się po swoich orbitach z przerażającą prędkością. A sama liczba gwiazd upakowanych w centrum galaktyki przekracza milion. Gęsto upakowane skupisko plus błyskawiczne prędkości równają się szybkim derbom rozbiórki. W najbardziej wewnętrznym obszarze – w promieniu 0,1 parseka od czarnej dziury – niewiele gwiazd wychodzi bez szwanku.
„Najbliższa gwiazda 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 niezwykle zatłoczone otoczenie. Co więcej, supermasywna czarna dziura ma naprawdę silne przyciąganie grawitacyjne. Kiedy krążą wokół czarnej dziury, gwiazdy mogą poruszać się z prędkością tysięcy kilometrów na sekundę.”
W tym ciasnym, gorączkowym sąsiedztwie gwiazdy mogą zderzać się z innymi gwiazdami. Im bliżej supermasywnej czarnej dziury znajdują się gwiazdy, tym wzrasta prawdopodobieństwo kolizji. Ciekawi wyników tych zderzeń, Rose i jej współpracownicy opracowali symulację umożliwiającą prześledzenie losów populacji gwiazd w centrum galaktyki. Symulacja uwzględnia kilka czynników: gęstość gromady gwiazd, masę gwiazd, prędkość orbity, grawitację i odległości od Sgr A*.
Od „brutalnych piątek” po totalne fuzje
W swoich badaniach Rose wskazała jeden czynnik, który najprawdopodobniej determinuje los gwiazdy: jej odległość od supermasywnej czarnej dziury.
W odległości 0,01 parseka od czarnej dziury gwiazdy – poruszające się z prędkością sięgającą tysięcy kilometrów na sekundę – nieustannie zderzają się ze sobą. Rzadko dochodzi do zderzenia czołowego, a raczej do „brutalnego przybicia piątki”, jak to opisuje Rose. Uderzenia nie są na tyle silne, aby całkowicie rozbić gwiazdy. Zamiast tego zrzucają swoje zewnętrzne warstwy i kontynuują jazdę wzdłuż kursu kolizyjnego.
„Walą się w siebie i idą dalej” – powiedziała Rose. „Po prostu ocierają się o siebie, jakby przybijali sobie bardzo gwałtownie piątkę. 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 całkiem sporo ich zewnętrznych warstw. Te niszczycielskie zderzenia skutkują populacją dziwnych, rozebranych gwiazd o małej masie.”
Poza 0,01 parseka gwiazdy poruszają się w spokojniejszym tempie – setki kilometrów na sekundę, a nie tysiące. Z powodu mniejszych 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 nawet łączyć się wielokrotnie, stając się 10 razy masywniejsze od naszego Słońca.
„Kilka gwiazd wygrywa na loterii kolizyjnej” – powiedziała Rose. „W wyniku zderzeń i fuzji gwiazdy te gromadzą więcej wodoru. Chociaż powstały ze starszej populacji, udają odmłodzone, młodo wyglądające 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 przypominają gigantyczne, pochłaniające gaz samochody. Zaczynają od dużej ilości wodoru, ale spalają go bardzo, bardzo szybko”.
Ekstremalne środowisko „inne niż wszystkie”
Chociaż Rose czerpie radość z badania dziwacznego, ekstremalnego regionu w pobliżu naszego centrum galaktyki, jej prace mogą również ujawnić informacje na temat historii Drogi Mlecznej. A ponieważ gromada centralna jest niezwykle trudna do obserwacji, symulacje jej zespołu mogą rzucić światło na ukryte procesy.
„To środowisko inne niż wszystkie” – powiedziała Rose. „Gwiazdy znajdujące się pod wpływem supermasywnej czarnej dziury w bardzo zatłoczonym regionie nie przypominają niczego, co kiedykolwiek zobaczymy w naszym słonecznym sąsiedztwie. Ale jeśli dowiemy się o tych populacjach gwiazd, być może uda nam się czegoś dowiedzieć nowe informacje na temat sposobu, w jaki zbudowane zostało centrum Galaktyki. Przynajmniej z pewnością stanowi to punkt kontrastu dla okolicy, w której żyjemy.”
Prezentacja APS Rose obejmie badania opublikowane w The Astrophysical Journal Letters w marcu 2024 r. i w The Astrophysical Journal we wrześniu 2023 r.
Praca ta była wspierana przez National Science Foundation (numer grantu AST 2206428) i NASA (numer grantu 80NSSC20K050), a także przez Charles E. Young Fellowship, Dissertation Year Fellowship na UCLA, Thacher Fellowship, Bhaumik Institute i CIERA stypendium Lindheimera.