Middelgrote zwarte gaten kunnen de snelste sterren van de Melkweg verklaren

Middelgrote zwarte gaten kunnen de snelste sterren van de Melkweg verklaren
4.1 (82.67%) 15 votes


Astronomen vragen zich af hoe sommige sterren – zogenaamde hypervelocity stars – de snelheidslimieten van de Melkweg kunnen overtreffen en snel genoeg bewegen om volledig aan onze melkweg te ontsnappen. De eerste dergelijke galactische outcast werd ontdekt in 2005 en vloog ongeveer drie miljoen kilometer per uur mee – snel genoeg om in minder dan vijf seconden van New York City naar Los Angeles te vliegen. Het pad, net als dat van vele andere hypervelocity-sterren die vervolgens werden gevonden, voerde terug naar de nabijheid van een zwart gat van vier miljoen zonne-massa dat op de loer ligt in het galactische centrum – een superzwaar monster met meer dan genoeg heft om een ​​ster naar te slingeren zo'n hoge snelheid. Maar nu wijzen nieuwe resultaten van de Melkweg van het Europese Ruimteagentschap – het in kaart brengen van Gaia-ruimtevaartuigen en andere projecten erop dat een andere dader – een nooit eerder geziene klasse van zwarte gaten – verantwoordelijk kan zijn voor sommige van de emigranten van onze melkweg.

Een hypervelocity ster, beschamend bekend als PG 1610 + 062, is de katalysator voor een groot deel van het onderzoek. Aanvankelijk waargenomen met weinig fanfare in 1986, beweegt PG 1610 eigenlijk niet vrij snel genoeg om onze melkweg te verlaten. In 2015 realiseerden astronomen de ster routinematig dat deze verkeerd was geclassificeerd en zelfs helderder scheen dan verwacht; Het blijkt dat PG 1610 verder weg is dan eerder werd gewaardeerd. Gecombineerd met de meest recente waarnemingen van Gaia, liet de nieuwe afstand zien dat de ster zich op een pad bevond dat hem nooit naar het galactische centrum bracht, waar een ontmoeting met het superzware zwarte gat daar hem sneller had kunnen doordringen.

De meest waarschijnlijke dader voor het versnellen van PG 1610 is, zeggen sommige onderzoekers, een zwart gat met een middelhoge massa (anders suggereren anderen dat een extreem massieve ster het werk zou kunnen doen). Zwarte gaten met gemiddelde massa blijven theoretisch en zijn nooit direct gedetecteerd. Maar PG 1610 en andere soortgelijke sterren kunnen daar verandering in brengen. "Weggelopen sterren kunnen een goede manier zijn om die middelzware zwarte gaten te vinden," zegt Andreas Irrgang van de Friedrich-Alexander Universiteit van Erlangen – Neurenberg in Duitsland, die de eerste auteur is over het rapporteren van de resultaten die zullen worden gepubliceerd in Astronomie & Astrofysica.

Runaway Star

De canonieke theorie voor de oorsprong van hypervelocity sterren houdt in dat ze hun leven begonnen in een krappe baan rond een begeleidende ster in de buurt van het galactische centrum. Drijvend te dicht bij het superzware zwarte gat, werd de begeleidende ster gestript en gevangen genomen, waardoor de andere ster werd losgelaten om weg te vliegen met verbazingwekkende snelheid.

Dat consensusbeeld begon vorig jaar af te brokkelen, toen het Gaia-team nieuwe gegevens uitbracht die de bewegingen van bijna 1,7 miljoen sterren aan de hemel volgden. Met behulp van die gegevens hebben astronomen van veel van de eerder ontdekte snel bewegende sterren ontdekt dat, net als PG 1610, bijna een derde van hen waren ingebed in de sterrenschijf van de Melkweg, nooit het galactisch centrum hadden benaderd. Voor zulke sterren die de Melkweg verlaten, moet iets naast een superzwaar zwart gat de nodige boost geven.

In het geval van PG 1610 vermoeden Irrgang en zijn collega's dat een zwart gat met gemiddelde massa verantwoordelijk kan zijn, hoewel een ultramassieve ster ook zou kunnen passen. Men denkt dat beide objecten bestaan ​​in de dichte harten van zeer jonge en massieve sterrenclusters. Een paar nabije sterren die een van beide objecten tegenkomen, zou ongeveer op dezelfde manier reageren als sterren die in de buurt van een superzwaar zwart gat komen – waarbij de ene in een baan wordt gevangen en de andere op hoge snelheid wordt weggegooid. Of deze laatste uit het heelal ontsnapt, hangt af van de richting waarin het wordt gegooid.

"Het is eigenlijk alsof je een bal van een rijdende trein gooit", zegt hypervelocity star hunter Monica Valluri van de University of Michigan. Als de ster wordt uitgeworpen in de richting van de spin van het sterrenstelsel, krijgt hij een hogere snelheid. Als het echter galactische spin bestrijdt, zal het vertragen en niet ontsnappen aan de Melkweg. Met andere woorden, PG 1610 die in onze melkweg bleef, was puur een kwestie van toeval; andere hypervelocity-sterren van zijn soort in de schijf van de Melkweg kunnen zich net zo gemakkelijk buitenwaarts bevinden en voorbij de zwaartekrachtkoppeling van ons sterrenstelsel glippen.

Op slechts 56.000 lichtjaar afstand is PG 1610 redelijk dichtbij voor een hypervelocity ster. De nabijheid ervan stelde onderzoekers in staat om zijn chemische samenstelling robuust te bestuderen – een prestatie die tot op heden alleen is bereikt voor een andere hypervelocity ster. "Omdat het dichterbij is, kunnen we echt de oorsprong van de ster in de galactische schijf achterhalen," zegt Irrgang.

Leef snel, sterf jong

Men denkt dat extreem massieve sterren, met een gewicht van 50 tot een paar honderd zonnemassa's, zich af en toe vormen via stellaire botsingen in de jongste, grootste sterrenhopen. Astronomen hebben in deze hete, dichte gebieden van de Melkweg sterren ontdekt die zo groot zijn als naar schatting 300 zonnemassa's – en sommige theoretici geloven dat dergelijke sterren potentieel zo groot kunnen worden als 1.000 zonnemassa's.

Dat grootste deel heeft een prijs: zulke massieve sterren leven slechts een paar miljoen jaar, een eyeblink in vergelijking met de verwachte levensduur van onze zon van negen miljard jaar. Bijgevolg, als ultramassieve sterren de bron zijn van hypervelocity stellaire ejecties uit de schijf van de Melkweg, moeten ze dat werk snel doen, vóór hun vroegtijdige dood.

Volgens de observaties van Irrgang is PG 1610 slechts ongeveer 80 miljoen jaar oud en werd het ongeveer 40 miljoen jaar geleden uitgeworpen. Omdat sterren in een cluster meestal rond dezelfde tijd worden geboren, moeten ze ongeveer dezelfde leeftijd hebben, wat zou suggereren dat een zeer langlevende ultramassieve ster PG 1610 heeft uitgeworpen – een scenario dat Irrgang "onwaarschijnlijk" acht.

Vasilii Gvaramadze, een onderzoeker aan de Staatsuniversiteit van Moskou, die hypervelocity stars modelleert en geen deel uitmaakte van de nieuwe studie, is niet klaar om ultramassieve sterren als bron op te geven. "Het is heel moeilijk om de leeftijd en vliegtijd van sterren te schatten," zegt hij. Schattingen van beide zijn afhankelijk van verschillende modellen, en een kleine fout op beide kan een aanzienlijk effect hebben op het uiteindelijke resultaat.

Middelgrote zwarte gaten in kaart brengen

Zodra ultramassieve sterren exploderen in gewelddadige supernovae, suggereren theorieën dat ze een zwart gat met gemiddelde massa achterlaten. Kleiner dan het monster in het hart van de Melkweg, deze midrange-beesten zouden tussen de 100 en een paar duizend zonnemassa's moeten wegen en zouden voldoende tijd hebben om sterren uit hun geboortecluster te werpen.

Het probleem is dat er nooit overtuigende zwarte gaten in de massa zijn gevonden – het bewijs voor hun bestaan ​​is dwingend maar indirect. "Deze claim is nu al een beetje controversieel", zegt Alessia Gualandris van de Universiteit van Surrey in Engeland, die niet betrokken was bij de nieuwe studie. "Je probeert een proces uit te leggen met iets dat nooit direct wordt gedetecteerd." Ondanks deze bedenkingen vermoedt Gualandris, die gemodelleerd heeft hoe hypervelocity-sterren omgaan met massieve objecten, dat zwarte gaten met een middelhoge massa waarschijnlijk eerder de schuldige zijn dan zeldzaam en vluchtige ultramassieve sterren.

Een reden voor haar vermoeden kwam vorig jaar naar voren in extra Gaia-resultaten die aantoonden dat een van de hypervelocity-sterren van de Melkweg hierheen werd geslingerd vanuit de Large Magellanic Cloud (LMC), een dwergstelsel van ongeveer 160.000 lichtjaar van onszelf. Van de meeste dwergstelsels wordt gedacht dat ze onvoldoende materiaal hebben om superzware zwarte gaten te vormen – waardoor zwarte gaten met gemiddelde massa de beste verklaring vormen voor hypervelocity-sterren die vanuit de LMC worden gelanceerd, zegt Gualandris.

Als zwarte gaten van gemiddelde massa verspreid zijn over jonge, dichte sterrenclusters in de Melkweg, kunnen hypervelocity-sterren helpen om ze te vinden. Irrgang en zijn collega's hebben PG 1610 getraceerd tot de Carina-Boogschutter-spiraalarm van de Melkweg, waardoor jagers met zwarte gaten een plek hebben om te zoeken naar de moeilijk te vinden objecten.

"Het is nog steeds geen bewijs dat (zwarte gaten met gemiddelde massa) bestaan, maar het maakt het belangrijk om te proberen te begrijpen hoe ze zijn ontstaan", zegt Valluri. "Het heeft invloed op ons begrip van hoe deze sterren evolueren en hoe de meest massieve sterren evolueren naar zwarte gaten."

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *