Από πού προέρχονται, εκείνες οι σαγηνευτικές ιδιομορφίες που αιφνιδιάζουν τους αστροφυσικούς - και τους υπόλοιπους από εμάς. Φυσικά, καταλαβαίνουμε τις διαδικασίες πίσω μαύρες τρύπες αστρικής μάζας , και πώς σχηματίζονται από τη βαρυτική κατάρρευση ενός άστρου.
Τι γίνεται όμως με τα εκπληκτικά μεγαθήρια στο κέντρο των γαλαξιών, αυτές τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες (SMBH) που μπορούν να γίνουν δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από τον Ήλιο μας;
Πώς γίνονται τόσο μεγάλα;
Είναι αρκετά σαφές ότι τα SMBH δεν ξεκινούν τόσο μαζικά. Πρέπει να μεγαλώσουν. Και σε γενικές γραμμές, υπάρχουν μόνο δύο τρόποι που μπορούν να συμβούν: σχηματίζεται ένα τεράστιο προγονικό αστέρι, με την πάροδο του χρόνου μέσω των συγχωνεύσεων και της κατανάλωσης, γίνεται αρκετά μαζικό ώστε μια μέρα να γίνει SMBH.
Το πρόβλημα είναι ότι οι μελέτες δείχνουν ότι οι συνθήκες για το σχηματισμό αυτών των τεράστιων προγόνων είναι σπάνιες και δεν μπορούν να εξηγήσουν τον μεγάλο αριθμό SMBH που βλέπουν οι αστρονόμοι εκεί έξω: ένα στο κέντρο κάθε μεγάλου γαλαξία.
Οι συγγραφείς μιας νέας εργασίας πιστεύουν ότι το κατάλαβαν, χρησιμοποιώντας έναν ισχυρό υπερυπολογιστή.
«Το νέο μας μοντέλο είναι σε θέση να εξηγήσει την προέλευση περισσότερων μαύρων τρυπών από τις προηγούμενες μελέτες…»
Kazuyuki Omukai, Συν-Συγγραφέας, Πανεπιστήμιο Tohoku
Η εφημερίδα έχει τίτλο « Υπερμεγέθης σχηματισμός άστρων μέσω υπερ ανταγωνιστικής συσσώρευσης σε ελαφρώς εμπλουτισμένα με μέταλλα σύννεφα. Ο κύριος συγγραφέας της εργασίας είναι ο Sunmyon Chon, μεταδιδακτορικός συνεργάτης στην Ιαπωνική Εταιρεία για την Προώθηση της Επιστήμης και στο Πανεπιστήμιο Τοχόκου. Η εργασία δημοσιεύεται στο Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Ένα από τα προβλήματα με τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες είναι ότι υπάρχουν τόσες πολλές από αυτές. Οι αστρονόμοι είναι σίγουροι ότι υπάρχει ένας στο κέντρο όλων των μεγάλων γαλαξιών. Πώς πηγαίνουμε από ένα αστέρι που έχει καταρρεύσει σε κάτι τόσο ασυνήθιστα τεράστιο;
Το διαστημικό τηλεσκόπιο Spitzer της NASA κατέγραψε αυτή την εκπληκτική υπέρυθρη εικόνα του κέντρου του Γαλαξία μας, όπου βρίσκεται η μαύρη τρύπα Sagitarrius A*. Πίστωση: NASA/JPL-Caltech
Οι συγγραφείς αυτής της νέας μελέτης προτείνουν ότι τα αστέρια που είναι οι πρόδρομοι των SMBH μπορούν να σχηματιστούν σε ένα ευρύτερο σύνολο συνθηκών από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως. Η θεωρία τους λέει ότι αυτοί οι πρόδρομοι αστέρες αναπτύσσονται όχι μόνο με τη συσσώρευση διαστρικού αερίου, αλλά και με την κατάποση άλλων, μικρότερων αστέρων.
«Το νέο μας μοντέλο είναι σε θέση να εξηγήσει την προέλευση περισσότερων μαύρων οπών από τις προηγούμενες μελέτες και αυτό το αποτέλεσμα οδηγεί σε μια ενιαία κατανόηση της προέλευσης των υπερμεγέθων μαύρων οπών», λέει ο Kazuyuki Omukai, συν-συγγραφέας της μελέτης και καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Τοχόκου.
Όλα ξεκινούν από τεράστια νέφη διαστρικού αερίου. Μέσα σε αυτά τα σύννεφα, μπορούν να σχηματιστούν τεράστια αστέρια λόγω της κατάρρευσης από την αυτοβαρύτητα. Αυτά τα προγονικά αστέρια μπορούν τελικά να εξελιχθούν σε SMBH.
Ο υπερυπολογιστής ATERUI 2 που χρησιμοποιείται σε αυτή τη νέα μελέτη ανήκει στο Εθνικό Αστρονομικό Παρατηρητήριο της Ιαπωνίας (NAOJ). Διαθέτει 40.200 πυρήνες και μπορεί να αποδώσει σε πάνω από 3 petaflops. Πίστωση εικόνας: NAOJ
Αλλά υπάρχει ένα πρόβλημα με αυτό. Μελέτες έχουν δείξει ότι το σενάριο άμεσης κατάρρευσης μπορεί να λάβει χώρα μόνο σε σύννεφα με χαμηλή μεταλλικότητα, χωρίς στοιχεία βαρύτερα από το υδρογόνο και το ήλιο. Η παρουσία βαρύτερων στοιχείων όπως το οξυγόνο και ο άνθρακας αλλάζει τη δυναμική του νέφους αερίων. Τα μέταλλα ψύχουν το νέφος του αερίου και όταν το αέριο αυτοκαταρρέει, κατακερματίζεται σε μικρότερα νέφη. Αυτά τα μικρότερα νέφη οδηγούν στη συνέχεια στο σχηματισμό μικρότερων αστεριών, αντί ενός αρκετά μεγάλου ώστε να είναι ο πρόδρομος ενός SMBH.
Έτσι, η άμεση κατάρρευση από αυτά τα σύννεφα παρθένου αερίου δεν μπορεί να εξηγήσει όλα τα SMBH που βλέπουμε στο κέντρο των γαλαξιών.
Η ομάδα του Chon χρησιμοποίησε έναν πανίσχυρο υπερυπολογιστή για να αντιμετωπίσει αυτό το ερώτημα. Ο υπολογιστής ονομάζεται «ATERUI II» και λειτουργεί από το Εθνικό Αστρονομικό Παρατηρητήριο της Ιαπωνίας (NAOJ). Η ομάδα πραγματοποίησε μακροχρόνιες «τρισδιάστατες προσομοιώσεις υψηλής ανάλυσης για να δοκιμάσει την πιθανότητα να σχηματιστούν υπερμεγέθη αστέρια ακόμη και σε αέριο εμπλουτισμένο με βαρέα στοιχεία», όπως λέει σε ένα δελτίο τύπου.
Μια εικόνα από την προσομοίωση μαύρων τρυπών ATERUI 2. Οι μαύρες κουκκίδες κοντά στο κέντρο της φιγούρας αντιπροσωπεύουν τεράστια αστέρια, τα οποία πιστεύεται ότι εξελίσσονται σε μαύρη τρύπα στο χρόνο. Οι λευκές κουκκίδες αντιπροσωπεύουν αστέρια που είναι μικρότερα από 10 ηλιακή μάζα και σχηματίστηκαν από τον κατακερματισμό του νέφους αερίου. Πολλά από τα μικρότερα αστέρια συγχωνεύονται με τα υπερμεγέθη αστέρια στο κέντρο, επιτρέποντας στα τεράστια αστέρια να αναπτυχθούν αποτελεσματικά.
ΠΙΣΤΩΣΗ: Sunmyon Chon
Προηγούμενες μελέτες ήταν εν μέρει σωστές, σύμφωνα με αυτήν την προσομοίωση. Τα ογκώδη νέφη αερίου εξακολουθούν να κατακερματίζονται, αν υπάρχει αρκετή μεταλλικότητα για να τα ψύχει, προκαλώντας το σχηματισμό πολλών μικρότερων αστεριών. Αλλά η προσομοίωση του Chon δείχνει ότι ο κατακερματισμός δεν είναι αρκετός για να αποτρέψει το σχηματισμό μεγάλων προγονικών άστρων.
Η δουλειά τους δείχνει ότι μια ισχυρή ροή αερίου προς το κέντρο του νέφους έλκει τα μικρότερα αστέρια προς τα μέσα, για να τα καταπιούν τα τεράστια αστέρια στο κέντρο. Με αυτόν τον τρόπο, παρά τον κατακερματισμό του νέφους και το σχηματισμό μικρότερων αστεριών, νέφη αερίου υψηλής μεταλλικότητας μπορούν ακόμα να σχηματίσουν αστέρια με αρκετή μάζα ώστε να είναι οι πρόγονοι των SMBH. Μεγαλώνουν αρκετά ογκώδεις εν μέρει μέσω του κανιβαλισμού των μικρότερων αστεριών.
Ένα άλλο στοιχείο από τη μελέτη. Αυτό δείχνει με ποιον μηχανισμό απέκτησαν τη μάζα τους τα τεράστια προγονικά αστέρια. Η κόκκινη περιοχή αντιπροσωπεύει την ανάπτυξη με συσσώρευση αερίου, η πράσινη αντιπροσωπεύει ανάπτυξη μάζας με συγχώνευση με τεράστια αστέρια μεγαλύτερης από 100 ηλιακές μάζες και το μπλε αντιπροσωπεύει ανάπτυξη μέσω συγχώνευσης με μικρότερα αστέρια μικρότερης από 100 ηλιακές μάζες. Πίστωση εικόνας: Chon et al, 2020.
«Είναι η πρώτη φορά που δείξαμε το σχηματισμό μιας τόσο μεγάλης πρόδρομης μαύρης τρύπας σε σύννεφα εμπλουτισμένα σε βαρέα στοιχεία. Πιστεύουμε ότι το γιγάντιο αστέρι που σχηματίστηκε με αυτόν τον τρόπο θα συνεχίσει να αναπτύσσεται και να εξελίσσεται σε μια γιγάντια μαύρη τρύπα», λέει ο Chon.
Η προσομοίωση του Chon οδήγησε επίσης στο σχηματισμό ενός αστεριού που είχε 10.000 φορές μεγαλύτερη μάζα από τον Ήλιο μας. Ένα αστέρι τόσο μεγάλης μάζας είναι σίγουρα αρκετά μεγάλο ώστε να είναι ο πρόγονος ενός SMBH.
Αυτό το σχήμα από τη μελέτη δείχνει την ανάπτυξη των πρόδρομων άστρων από τη στιγμή της κατάρρευσης σε διαστήματα 300 ετών και 600 ετών. Οι διαφορετικές σειρές αντιπροσωπεύουν διαφορετικές συγκεντρώσεις μεταλλικότητας στην προσομοίωση. Η επάνω σειρά αντιπροσωπεύει σύννεφα χωρίς μεταλλικότητα, με τη μεταλλικότητα να αυξάνεται καθώς κινούμαστε προς τα κάτω σε κάθε σειρά. Σε αντίθεση με προηγούμενες μελέτες, αυτή η προσομοίωση έδειξε ότι τα τεράστια προγονικά αστέρια μπορούν ακόμα να σχηματιστούν, ακόμη και από νέφη αερίων με υψηλότερη μεταλλικότητα. Οι μαύρες κουκκίδες αντιπροσωπεύουν τεράστια αστέρια, ενώ οι λευκές κουκκίδες αντιπροσωπεύουν μικρότερα αστέρια. Πίστωση εικόνας: Chon et al, 2020.
Όπως γράφουν οι συγγραφείς στην εργασία τους, «Ακόμα και όταν παράγονται θραύσματα
από την ψύξη της σκόνης, κινούνται με το εισερχόμενο αέριο και τελικά συγχωνεύονται με τα κεντρικά αστέρια. Για αυτόν τον λόγο, η πρωτογενής αύξηση της αστρικής μάζας είναι σχεδόν ανεξάρτητη από τη μεταλλικότητα του νέφους…»
Τα γιγάντια αστέρια είναι οι πρόδρομοι για τους SMBH που βλέπουμε σχεδόν σε όλους τους μεγάλους γαλαξίες. Αυτή η μελέτη, μέσω ισχυρής προσομοίωσης, δείχνει ότι αυτοί οι πρόδρομοι αστέρες μπορούν να σχηματιστούν πιο εύκολα σε νέφη αερίων με μεγαλύτερη μεταλλικότητα από ό,τι δείχνει η προηγούμενη εργασία.
Εάν ανταποκρίνεται σε πιο επιστημονικό έλεγχο, μπορεί να έχουμε την απάντησή μας σε ένα από τα πιο συναρπαστικά ερωτήματα της αστρονομίας: Από πού προέρχονται οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στο κέντρο των γαλαξιών;
Επόμενο: Τι επίδραση έχουν αυτά τα τέρατα στους γαλαξίες που τα φιλοξενούν;
Περισσότερο:
- Δελτίο τύπου: Μεγάλη προσομοίωση βρίσκει νέα προέλευση υπερμεγέθων μαύρων τρυπών
- Ερευνητική εργασία: Υπερμεγέθης σχηματισμός αστεριών μέσω υπερανταγωνιστικής προσαύξησης σε σύννεφα ελαφρώς εμπλουτισμένα με μέταλλο
- Σύμπαν σήμερα: Οι αστρονόμοι βρίσκουν έναν γαλαξία που περιέχει τρεις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στο κέντρο