Dlaczego gwiazdy w tajemniczy sposób znikają z nocnego nieba?

Techniczne wrażenie systemu binarnego VTFS 243. Źródło: ESOL. Calzada CC BY 4.0

Astrofizycy z Uniwersytetu w Kopenhadze pomagają wyjaśnić tajemnicze zjawisko polegające na nagłym znikaniu gwiazd z nocnego nieba. Ich badania niezwykłego układu podwójnego gwiazd dostarczyły przekonujących dowodów na to, że masywne gwiazdy mogą całkowicie się zapaść i stać się czarnymi dziurami bez eksplozji supernowej.

Pewnego dnia gwiazda w centrum naszego Układu Słonecznego, Słońce, zacznie się rozszerzać, aż pochłonie Ziemię. Stanie się wówczas coraz bardziej niestabilny, aż w końcu skurczy się do małego, gęstego ciała zwanego a Biały karzeł.

Gdyby jednak Słońce było około osiem razy masywniejsze, prawdopodobnie eksplodowałoby w postaci potężnej eksplozji – w postaci supernowej. Jego zapadnięcie się spowoduje eksplozję, wyrzucającą energię i masę w przestrzeń kosmiczną z ogromną siłą, zanim pozostawi po sobie ogromną masę energii. Gwiazda neutronowa Albo czarna dziura za nią.

Chociaż jest to podstawowa wiedza na temat umierania masywnych gwiazd, wciąż pozostaje wiele do zrozumienia na temat gwiaździstego nieba powyżej, a w szczególności spektakularnej śmierci tych gwiazd.

Układ podwójny gwiazd VFTS 243 znajduje się w galaktyce karłowatej „Wielkim Obłoku Magellana” w pobliżu Drogi Mlecznej. Obłoki Magellana to galaktyki satelitarne Drogi Mlecznej. Te galaktyki karłowate krążące wokół centrum galaktyki można zobaczyć jedynie z półkuli południowej. Tutaj można je zobaczyć nad teleskopami pomocniczymi Bardzo Dużego Teleskopu (VLT) Europejskiego Obserwatorium Południowego w Paranal w Chile. Źródło: JC Muñoz/ESO

Nowe badania przeprowadzone przez astrofizyków z Instytutu Nielsa Bohra na Uniwersytecie w Kopenhadze dostarczają najmocniejszego jak dotąd dowodu na to, że bardzo masywne gwiazdy mogą podlegać znacznie większemu ukryciu i tajemnicy niż supernowe. W rzeczywistości ich badania sugerują, że przy wystarczającej masie grawitacja gwiazdy może być tak silna, że ​​po jej śmierci nie nastąpi żadna eksplozja. Alternatywnie gwiazda może ulec tak zwanemu całkowitemu zapadnięciu.

„Wierzymy, że jądro gwiazdy może zapaść się pod własnym ciężarem, jak to się dzieje w przypadku masywnych gwiazd w końcowej fazie ich życia, ale zamiast zapadnięcia się, którego kulminacją jest jasna eksplozja supernowej, która przyćmiewa galaktykę, gwiazdy mają masę ponad ośmiokrotnie większą. oczekuje się istnienia.” Sun, zapadanie się trwa, aż gwiazda stanie się gwiazdą. Czarna dziura„Wyjaśnia pierwszy autor Alejandro Vigna-Gomez, który w momencie rozpoczęcia tych badań był pracownikiem naukowym ze stopniem doktora w Instytucie Nielsa Bohra.

Fakty i mity: Znikające gwiazdy

W czasach współczesnych pojawiło się wiele obserwacji na ten temat Gwiazdy, które znikają w niewytłumaczalny sposób.

„Ankieta o niczym”. Prowadzony przez astrofizyka Chrisa Kochanka jest przykładem wysiłku badawczego polegającego na aktywnym poszukiwaniu znikających gwiazd i wyjaśnień ich zniknięcia.

Dociekliwy czytelnik może zagłębić się także w opisy historyczne. Często ma to coś wspólnego z nagłym znikaniem jasnych gwiazd, co jest zgodne ze scenariuszami supernowych. Istnieją jednak inne historie o gwiazdach, które nagle znikają, jak na przykład grecki mit związany z gromadą gwiazd Plejady, znaną jako Siedem Sióstr. Mit o Plejadach opisuje siedem córek olbrzyma Atlasa i nimfy Pleione. Według legendy jedna z ich córek wyszła za człowieka i ukrywała się, co stanowi bardzo nienaukowe, ale piękne wyjaśnienie, dlaczego widzimy tylko… Sześć gwiazd w Plejadach.

Odkrycie to ma związek ze zjawiskiem zanikania gwiazd, które w ostatnich latach wzbudziło zainteresowanie astronomów i może stanowić wyraźny przykład i rozsądne naukowe wyjaśnienie zjawisk tego typu.

„Gdyby ktoś stał i patrzył na widoczną gwiazdę przechodzącą całkowite zapadnięcie się, z czasem mogłoby to przypominać obserwowanie gwiazdy nagle gasnącej i znikającej z nieba. Zapadnięcie się było tak całkowite, że nie nastąpiła żadna eksplozja, nic nie uciekło i można było zobaczyć brak supernowej Jasne na nocnym niebie Astronomowie zauważyli już ostatnio nagłe zniknięcie jasnych gwiazd. „Nie możemy być pewni związku, ale wyniki, które uzyskaliśmy z analizy VFTS 243, znacznie przybliżyły nas do wiarygodnego wyjaśnienia”. mówi Alejandro Vigna-Gómez.

Widok z Kosmicznego Teleskopu Webba na Mgławicę Tarantula, gdzie znajduje się VTFS 243. Zdjęcie: NASA, ESA, CSA i STScI

Niezwykły układ gwiezdny bez śladów eksplozji

Do odkrycia doszło po niedawnej obserwacji niezwykłego układu podwójnego gwiazd na skraju naszej galaktyki, zwanego VFTS 243. Tutaj masywna gwiazda i czarna dziura około dziesięć razy większe od naszego Słońca krążą wokół siebie.

Naukowcy wiedzą, że takie podwójne układy gwiazd istnieją we wszechświecie droga Mleczna Przez dziesięciolecia gwiazda zamieniała się w czarną dziurę. Jednak niedawne odkrycie VFTS 243, za Drogą Mleczną w Wielkim Obłoku Magellana, jest naprawdę wyjątkowe.

Fakty: Czarne dziury

Nawet światło nie może uciec z czarnych dziur. Jako takie nie mogą być obserwowane bezpośrednio. Jednak niektóre czarne dziury można rozpoznać po dużych ilościach energii uwalnianej przez krążące wokół nich gazy. Inne, jak w przypadku VFTS 243, można zaobserwować po ich wpływie na gwiazdy, wokół których krążą.

Ogólnie astronomowie uważają, że istnieją trzy typy czarnych dziur:

Gwiezdne czarne dziury — takie jak ta w VFTS 243 — powstają, gdy zapadają się gwiazdy o masie ponad ośmiokrotnie większej od masy Słońca. Naukowcy uważają, że w samej naszej galaktyce może ich być aż 100 milionów.

Uważa się, że supermasywne czarne dziury – o masie od 100 000 do 10 miliardów mas Słońca – istnieją w centrach prawie wszystkich galaktyk. Sagittarius A* to supermasywna czarna dziura w centrum naszej galaktyki, Drogi Mlecznej.

Czarne dziury o masach pośrednich (IMBH) – od 100 do 100 000 mas naszego Słońca – od dawna są brakującym ogniwem. W ostatnich latach wyłoniło się wielu wiarygodnych kandydatów.

Istnieją również teorie opisujące inne typy czarnych dziur, które nie zostały jeszcze odkryte. Jedna z tych dziur, zwana pierwotnymi czarnymi dziurami, miała powstać na początku wszechświata i teoretycznie mogła być mikroskopijna.

„Zwykle zdarzenia supernowych w układach gwiazdowych można mierzyć na różne sposoby po ich wystąpieniu, ale pomimo faktu, że VFTS 243 zawiera gwiazdę, która zapadła się w czarną dziurę, nigdzie nie znaleziono śladów eksplozji „Orbita układu prawie się nie zmieniła, odkąd gwiazda zapadła się w czarną dziurę” – mówi Alejandro Vigna-Gomez.

Naukowcy przeanalizowali dane obserwacyjne pod kątem zestawu znaków, których można się spodziewać po układzie gwiazd, który w przeszłości doświadczył eksplozji supernowej. Ogólnie rzecz biorąc, uważają dowody na takie wydarzenie za proste i nieprzekonujące.

Układ nie wykazuje żadnych oznak znaczącego „kopnięcia porodowego”, czyli przyspieszenia obiektów orbitalnych. Jest również bardzo symetryczna, ma niemal idealnie okrągłą orbitę, a resztkowe oznaki uwolnienia energii podczas zapadnięcia się jądra poprzedniej gwiazdy wskazują na rodzaj energii odpowiadający całkowitemu zapadnięciu się.

„Nasza analiza jednoznacznie wskazuje na fakt, że czarna dziura w VFTS 243 prawdopodobnie powstała natychmiastowo, a energia została utracona głównie przez neutrina” – mówi profesor Irene Tambora z Instytutu Nielsa Bohra, która również brała udział w badaniach.

System odniesienia dla przyszłych badań

Zdaniem profesor Tambory VFTS 243 otwiera możliwość porównania szeregu teorii astrofizycznych i obliczeń modelowych z rzeczywistymi obserwacjami. Oczekuje, że układ gwiazd będzie ważny w badaniu ewolucji i zapadania się gwiazd.

„Nasze wyniki podkreślają, że VFTS 243 jest najlepszym obserwowalnym jak dotąd przypadkiem teorii gwiezdnych czarnych dziur powstałych w wyniku całkowitego zapadnięcia się, w przypadku których możliwy jest wybuch supernowej, który wykazały nasze modele. Jest to ważny test w świecie rzeczywistym dla tych modeli. ” mówi profesor „Z pewnością spodziewamy się, że będzie to „Układ służy jako krytyczny punkt odniesienia dla przyszłych badań nad ewolucją i zapadaniem się gwiazd”.

Informacje dodatkowe: Brakujący „kopnięcie porodowe” i inne (brakujące) oznaki supernowej

Nie ma „kopnięcia porodowego”.

Gwałtowne siły supernowej bezpośrednio wpływają na nowonarodzone gwiazdy neutronowe lub czarne dziury pozostawione po sobie w wyniku asymetrycznej emisji materii podczas eksplozji. Naukowcy nazywają to „kopnięciem porodowym”. To kopnięcie powoduje przyspieszenie skompresowanego ciała. Kopnięcie porodowe zazwyczaj nadaje gwiazdom neutronowym mierzalną prędkość od 100 do 1000 kilometrów na sekundę. Oczekuje się, że prędkość będzie mniejsza w przypadku czarnych dziur, ale nadal jest znacząca.

Ponieważ wydaje się, że czarna dziura w VFTS 243 przyspieszyła do około 4 km/s, nie wykazuje żadnych oznak silnego kopnięcia porodowego, czego można by się spodziewać, gdyby przeszła supernową.

Podobnie symetria orbity układu gwiezdnego zwykle wykazuje oznaki wskazujące, że odczuł on wpływ gwałtownej eksplozji supernowej w wyniku wyrzucenia materii. Zamiast tego naukowcy odkryli symetrię.

„Orbita VFTS jest prawie kołowa, a nasza analiza wskazuje, że podczas zapadnięcia nie było żadnych oznak znaczącej asymetrii. To ponownie wskazuje, że nie doszło do eksplozji” – mówi Alejandro Vigna Gomez.

Eksplozja energetyczna

Analizując orbitę układu podwójnego gwiazd, zespół był także w stanie obliczyć ilość masy i energii uwolnionej podczas formowania się czarnej dziury.

Ich szacunki pasują do scenariusza, w którym mniejsze kopnięcie, które miało miejsce podczas zapadnięcia się gwiazdy, nie zostało spowodowane przez materię barionową, do której zaliczają się neutrony i protony, ale przez tak zwane neutrina. Neutrina mają bardzo małą masę i oddziałują bardzo słabo. Jest to kolejna wskazówka, że ​​w systemie nie doszło do eksplozji.

Odniesienie: „Ograniczenia natalnych kopnięć neutrin z podwójnej czarnej dziury VFTS 243” autorstwa Alejandro Vigna-Gomez, Reinhold Wilcox, Irene Tambora, Ilya Mandel, Matteo Renzo, Tom Waag, Hans-Thomas Janka, Daniel Kress, Julia Bodensteiner, Tomer Shenar i Tomasz M.. Torresa, 9 maja 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
doi: 10.1103/PhysRevLett.132.191403

Do badań wnieśli wkład następujący badacze:

Alejandro Vigna-Gomez, Irene Tambora, Hans Thomas Janka, Daniel Kress, Reinhold Wilcox, Elia Mandel, Matteo Renzo, Tom Waag, Julia Bodensteiner, Tomer Shenar, Thomas M. Torres

Naukowcy należą do kilku instytucji badawczych:

• Instytut Nielsa Bohra, Uniwersytet w Kopenhadze – International Academy i Dark
• Instytut Astrofizyki Maxa Plancka w Garching, Niemcy
• Instytut Astronomii Uniwersytetu w Leuven, Leuven, Belgia
• Szkoła Fizyki i Astronomii, Uniwersytet Monash, Clayton, Australia
• Centrum Doskonałości ARC ds. Detekcji Fal Grawitacyjnych, Osgraph, Australia
• Centrum Astrofizyki Obliczeniowej, Flatiron Institute, Nowy Jork, USA
• Obserwatorium Stewarda, Uniwersytet Arizony, Tucson, USA
• Katedra Astronomii, uniwersytet WaszyngtońskiSeattle, Stany Zjednoczone
• Uniwersytet Techniczny w Monachium, TUM Wydział Nauk Przyrodniczych, Wydział Fizyki, Garching, Niemcy
• Europejskie Obserwatorium Południowe w Garching w Niemczech
• Wydział Fizyki i Astronomii Uniwersytetu w Tel Awiwie, Tel Awiw, Izrael
• Uniwersytet w Aalborgu, Aalborg, Dania