Zderzenia gwiazd tworzą dziwnych ocalałych przypominających zombie

Zjedli swoich sąsiadów.

To tylko jedno z bardziej zaskakujących odkryć nowego badania Northwestern University. 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 wykazały, że obiekty, które przeżyły zderzenia, mogą stracić masę, stając się gwiazdami o małej masie lub mogą łączyć się z innymi gwiazdami, stając się masywnymi i odmłodzonymi.

„Obszar wokół centralnej czarnej dziury jest gęsty, a gwiazdy poruszają się z bardzo dużymi prędkościami” – powiedziała Sania C. Rose z Northwestern University, która kierowała badaniami. „To trochę jak bieganie przez niesamowicie zatłoczoną stację metra w Nowym Jorku w godzinach szczytu. Jeśli nie wpadasz na innych ludzi, to ich mijasz. W przypadku gwiazd bliskie zderzenia wciąż wywołują reakcję. ” chciałem zbadać, co to oznacza: Zderzenia i interakcje w gromadach gwiazd oraz charakterystyka ich wyników.

Rose zaprezentuje wyniki tych badań na spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego (APS) w kwietniu w Sacramento w Kalifornii. „Gwiezdne zderzenia w centrum galaktyki” odbędą się w czwartek (4 kwietnia) w ramach sesji „Astro-Particle Physics and the Center of the Galaxy”.

Rose jest stażystką podoktorską Lindheimera w Centrum Interdyscyplinarnych Poszukiwań i Badań Astrofizycznych Northwestern (CIERA). Rozpocząłem tę pracę jako doktorant. kandydat na Uniwersytecie Kalifornijskim.

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. Kiedy okrążają czarną dziurę, gwiazdy mogą poruszać się 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 „twardych piątek” po całkowite 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. Zderzenie rzadko kiedy następuje czołowo, bardziej przypomina „brutalny nokaut”, jak opisuje to 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 ruchy. To powoduje, że gwiazdy wyrzucają trochę materii i tracą swoje zewnętrzne warstwy. W zależności od tego, jak szybko się poruszają i jak bardzo nachodzą na siebie podczas zderzenia, gwiazdy mogą stracić bardzo duży część ich zewnętrznych warstw. „Te niszczycielskie zderzenia tworzą populację dziwnych gwiazd o małej masie”.

Powyżej zakresu 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. „W wyniku zderzeń i fuzji gwiazdy te gromadzą więcej wodoru. Chociaż powstają ze starszych gromad, udają młode, regenerujące się gwiazdy. Są jak gwiazdy zombie, pożerające swoich sąsiadów”.

Jednak młody wygląd odbywa się kosztem krótszej średniej długości życia.

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

„Niezrównane” ekstremalne środowisko

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 widzieliśmy w naszym sąsiedztwie Słońca. Ale jeśli uda nam się zidentyfikować te gromady gwiazd, być może uda nam się czegoś dowiedzieć”. „Nowość w sposobie, w jaki zbudowane jest centrum galaktyki. W każdym razie z pewnością stanowi punkt kontrastu w stosunku do sąsiedztwa, w którym żyjemy”.

Prezentacja APS Rose obejmie badania opublikowane w The Astrophysical Journal Letters w marcu 2024 r. i The Astrophysical Journal we wrześniu 2023 r.

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