Intergalaktiske foreninger mere ødelæggende, end vi troede

Forskere fra MIPT, University of Oxford, og det russiske videnskabsakademi har estimeret antallet af stjerner, der er forstyrret af solitære supermassive sorte huller i galaktiske centre, der er dannet via sammensmeltninger af galakser indeholdende supermassive sorte huller. Astrofysikerne fastslog, om gravitationseffekter, der stammer fra to sorte huller, der trækker tættere på hinanden, kan forklare, hvorfor færre stjerner er observeret i at blive fanget af sorte huller, end grundlæggende teoretiske modeller forudsiger.

I deres undersøgelse offentliggjort i The Astrophysical Journal , forskerne undersøgte samspillet mellem dynamiske mekanismer, der påvirker antallet af stjerner i en galakse, der fanges pr. tidsenhed (tidevandsafbrydelseshastigheden). En avanceret teoretisk model gav resultater, der er endnu mere inkonsistente med observationer, førte holdet til at antage, at forstyrrelsen af ​​stjerner i galaktiske kerner kan forekomme uden vores viden.

Afbrydelse af stjerner

Tidevandsforstyrrelser, eller TDE'er, er den eneste tilgængelige kilde til information fra inaktive galaktiske kerner. Der er mindst ét ​​supermassivt sort hul i centrum af de fleste galakser. Omgivet af tætte centrale stjernehobe, sorte huller optager områder kendt som galaktiske kerner. Som deres navn antyder, sorte huller udsender ikke noget lys. Imidlertid, når stof falder på det centrale massive objekt, det bliver opvarmet til ekstreme temperaturer og kan observeres med et teleskop. Aktive galakser har gasskyer, der føder sorte huller, dermed gøre dem synlige. Imidlertid, cirka 90 procent af galakserne forbliver "stille, " fordi de ikke indeholder gasskyer og derfor ligegyldigt for det sorte hul at forbruge andet end stjerner, der lejlighedsvis forvilder sig for tæt på. Når dette sker, stjernen trækkes fra hinanden af ​​tidevandskræfter, oplever det, der er kendt som "spaghettificering, " og astronomer opdager en tidevandsafbrydelseshændelse (TDE). Indtil videre, omkring 50 udbrud af stråling forbundet med TDE'er er blevet observeret. Man regner med, at den gennemsnitlige frekvens af stjerneafbrydelser beløber sig til én stjerne pr. 000 til 100, 000 år pr galakse. Baseret på disse data, videnskabsmændene forsøger at udvikle en pålidelig model for, hvad der foregår i inaktive galaktiske kerner.

Antag en sfærisk galakse i et vakuum

Den enkleste teoretiske model involverer en galakse, hvis kerne er kugleformet og har et supermassivt sort hul i centrum. Det sorte hul kredser om stjerner, der ændrer retningen af ​​deres bevægelse, når de passerer forbi hinanden, den måde, hvorpå billardkugler hopper af hinanden, når de støder sammen på bordet. Imidlertid, hvorimod en billardkugle skal bevæge sig lige mod hullet for at falde ned i den, en stjerne har flere muligheder:Det er nok for dens hastighedsvektor at være i den såkaldte tabskegle, for at sikre, at stjernen til sidst vil blive fanget og forstyrret af det sorte huls tyngdekraft. Ifølge denne meget enkle model, et gennemsnit på en stjerne pr. galakse skal fanges hver 1. 000 til 10, 000 år, dvs. hyppigere end observeret. Selvom modellen kan forbedres ved at tage en række andre faktorer i betragtning (f.eks. forskellen i stjernernes masse), dette ville kun øge de forudsagte tidevandsafbrydelsesrater yderligere.

Slingshot-effekten

På nuværende tidspunkt der er kun én mekanisme, der diskuteres i offentliggjorte kilder, der kan være ansvarlig for, at færre stjerner er fanget end forventet. Mærkeligt nok, det kræver, at de fleste af stjernerne med lavt vinkelmoment forsvinder, så at sige. Men lad os først undersøge et analogt tilfælde, der involverer gasdiffusion. Antag, at der er gasmolekyler i tilfældig bevægelse indeholdt i et kar, hvis vægge kan absorbere molekylerne. Forestil dig nu, at de molekyler, der er tættest på væggene, er blevet fjernet. Den åbenlyse konsekvens af dette ville være færre molekyler absorberet pr. tidsenhed, da de resterende molekyler endnu skal tilbagelægge en vis afstand, før de kan komme i kontakt med en væg. Tilsvarende hvis stjerner fjernes fra centrum af galaksen, stjerneforstyrrelsesraten vil falde. Naturligt, stjernerne kan ikke bare forsvinde ud i den blå luft; men hvis galaksen er vært for et binært sort hul, så kan individuelle stjerner slynges ud af galaksen ved hjælp af en såkaldt gravitationsslynge, en manøvre også kendt som en tyngdekraftsassistance, når menneskeskabte rumfartøjer er involveret.

Loven om bevarelse af energi indebærer, at når en stjerne accelereres (dvs. modtager yderligere kinetisk energi), energien af ​​det binære sorte hul skal reduceres. Som resultat, de to sorte huller rykker tættere på hinanden og begynder at smelte sammen. Til sidst, når fusionen næsten er gennemført, noget af energien udstråles udad i form af gravitationsbølger, som demonstreret af denne nylige opsigtsvækkende opdagelse.

En ikke-sfærisk galakse i et vakuum

Selvom en galaksefusion kan ledsages af et fald i antallet af stjerneafbrydelser, den modsatte effekt er også blevet observeret. Det har at gøre med det faktum, at enhver galaktisk kerne, der er et produkt af en fusion, er en smule ikke-sfærisk i form. I en ikke-sfærisk kerne, stjerner er mere grundigt blandet; derfor, der er flere stjerner, hvis baner ligger tæt på det sorte hul. Dette betyder, at flere stjerner er tilgængelige til at blive fanget, og TDE-raten stiger, på trods af slangebøsseeffekten. For at finde ud af, hvordan samspillet mellem disse to modsatrettede faktorer påvirker antallet af stjernernes forstyrrelser, Kirill Lezhnin og Eugene Vasiliev - begge MIPT-kandidater - udførte de nødvendige beregninger og undersøgte den indflydelse, som sorte huls masse, nuklear stjernehobe geometri, og indledende betingelser har på afbrydelsesrater.

Endnu mere ødelæggelse

Det viste sig, at effekten af ​​fjernelsen af ​​stjerner fra galaksens centrum ved hjælp af gravitationsslynge var ubetydelig i alle tilfælde undtagen for sfærisk-galakse-i-et-vakuum-scenariet. Det bør noteres, imidlertid, at formen af ​​en galakse dannet i en fusion aldrig er en perfekt kugle. For så vidt angår resultaterne af beregninger, bundlinjen er, at et gennemsnit på en stjerne pr. 10, 000 år pr. galakse burde være forstyrret. Og selvom dette tal er i god overensstemmelse med tidligere teoretiske forudsigelser, det rejser også spørgsmålet:Hvorfor er det sådan, at der observeres færre TDE'er, end teoretiske modeller ville have os til at forvente?

Kirill Lezhnin, en af ​​forfatterne til undersøgelsen, forklarer betydningen af ​​forskningsresultaterne:"Vi viste, at de observerede lave forstyrrelser ikke kan forklares med slangebøsseeffekten. Derfor, der skal findes en anden mekanisme, som ligger uden for stjernedynamikstudiernes område. Alternativt de TDE-satser, vi nåede frem til, kunne faktisk være nøjagtige. Så skal vi finde en forklaring på, hvorfor de ikke bliver observeret«.