Ind i afgrunden:Forstå dannelsen af ​​sorte hul gennem fødselsspark og neutrino-emission

En ny undersøgelse i Physical Review Letters udforsker betingelserne for dannelse af sorte hul fra døende stjerner, især rollen af ​​neutrino-inducerede fødselsspark i dannelsesprocessen.

Sorte huller er nogle af de mest mystiske objekter i universet, med gravitationskræfter så stærke, at selv lys ikke kan undslippe dem. Fra nu af, med de beviser, vi har, er sorte huller stjernelig, hvilket betyder, at de fødes, når stjerner dør.

De nøjagtige mekanismer for deres dannelse er dog stadig et mysterium. Den nye undersøgelse adresserer nogle af disse mysterier ved at studere processer som stjernemasseudstødning og neutrino-emission, som spiller en afgørende rolle i dannelsen af ​​sorte hul.

Phys.org talte med førsteforfatter Dr. Alejandro Vigna-Gómez, en postdoc ved Max Planck Institut for Astrofysik i Tyskland.

Da han blev spurgt om hans motivation til at studere dannelse af sorte hul, sagde han:"I løbet af det sidste årti har mit arbejde drejet sig om skæringspunktet mellem binær stjerne og supernovafysik."

"Min interesse er vokset i kølvandet på de seneste gennembrud inden for sorte huls astronomi. I de seneste år indså jeg, at tunge sorte huller kunne give betydelig indsigt i de processer af stjernernes kollaps, der resulterer i deres skabelse."

Naturspark og neutronstjerner

Når en stjerne, der er større end vores sol, når slutningen af ​​sin levetid, fører det til en ekstremt lys og voldsom eksplosion kaldet en supernovaeksplosion. Disse eksplosioner er så lyse, at de kortvarigt kan overstråle lysstyrken af ​​en hel galakse og frigive et stort antal neutrinoer for at efterlade en neutronstjerne.

Den stjernemasse, der kastes ud under eksplosionen, har en hastighed på tusindvis af kilometer i sekundet, men er ikke altid ligeligt fordelt. Denne asymmetri fører til store asymmetrier i resterne af eksplosionen, som er blevet observeret for neutronstjerner.

Denne asymmetriske udstødte masse forårsager et rekyl til neutronstjernen kaldet et fødselsspark, som får den til at bevæge sig med høj hastighed gennem en galakse. Natal-spark er tidligere set for neutronstjerner, men ikke for sorte huller.

Sorte huller dannes, når en døende stjerne i stedet for en eksplosion kollapser i sig selv. Så vi kommer til spørgsmålet fra forskerne:Kan fødselsspark også spille en rolle i dannelsen af ​​sorte huller?

Binære filer med sort hul

"I de senere år er der blevet opdaget adskillige sorte hul-binære filer i vores galakse og dens omgivelser. De detekteres normalt via røntgenstråling, men kun få er blevet detekteret via enkeltlinjet spektroskopi [en anden metode] som X- strålestille binære filer," sagde Dr. Vigna-Gómez.

Disse binære systemer udsender ikke væsentlige mængder røntgenstråler, hvilket kan være indikativt for stjernenes udviklingsstadier i det binære system.

Forskerne valgte galaksen VFTS 243 til deres undersøgelse, da den huser et af de mest massive sorte huller blandt disse binære.

Det binære system består af et sort hul og en massiv stjerne. Forskerne ønskede at studere de forhold, hvorunder det sorte hul blev dannet som den tabte stjernemasse og de fødselsspark, der var forbundet med dets dannelse.

Forskerne byggede på nyere observationer af forsvindende stjerner, som er stjerner, der døde og blev til sorte huller uden en eksplosion. Derudover er disse binære stjerne-masse sorte hul (dette er det officielle udtryk) inerte, hvilket betyder, at der er lidt interaktion mellem stjernen og det sorte hul, efter at det sorte hul er dannet.

Begrænsninger for fødselsspark

Forskerne brugte en semianalytisk tilgang til at beregne sandsynligheden for, at et fødselsspark under dannelsen af ​​det sorte hul ville føre til den observerede konfiguration af systemet.

For at analysere dannelsen af ​​systemet brugte forskerne forskellige begrænsninger som omløbsperiode, excentricitet og systemisk radial hastighed af systemet. De udførte desuden estimater for langsigtede neutrino-asymmetrier under dannelsen af ​​det sorte hul (forudsat at det skete på grund af et fuldstændigt kollaps og ikke en eksplosion).

Dr. Vigna-Gómez opsummerede resultaterne og sagde:"Vi finder ud af, at det sorte hul i VFTS 243 blev dannet uden en eksplosion og havde et lavt neutrino fødselsspark, hvis noget. Dette tyder på, at neutrinoer blev udsendt næsten lige meget i alle retninger, da den massive stamfader kollapsede i et sort hul."

For VFTS 243 begrænsede forskerne fødselssparkhastigheden til at være mindre end eller lig med omkring 10 kilometer i sekundet. De fandt ud af, at det mest sandsynlige scenarie er, at cirka 0,3 solmasser blev kastet ud, formentlig i neutrinoer, og det sorte hul oplevede et fødselsspark på omkring 4 kilometer i sekundet.

Fremtidigt arbejde

Disse fund har implikationer for dannelsen af ​​andre sorte huller, hvilket tyder på, at nogle kan dannes via fuldstændig kollaps uden eksplosion.

Desuden er langsigtet neutrino-emission fortrinsvis sfærisk symmetrisk (lige i alle retninger), hvilket forklarer manglen på et stærkt fødselsspark til det binære system.

Dr. Vigna-Gómez tilføjede:"Det ser ud til, at den teoretiske intuition, vi har bygget på sorte huller med reducerede fødselsspark med hensyn til neutronstjerner, var rigtig."

"Denne analyse viser, at VFTS 243 kan bruges som et benchmark-system til simulering af kerne-kollaps-supernovaer, dvs. simuleringer af stjerner, der kollapser i sorte huller, der er omkring ti solmasser, bør flugte med de små neutrino-asymmetrier og fødselsspark, der vi udledte for VFTS 243."

At bygge rammer for en population af sorte huller ville være det næste skridt for forskerne i deres forsøg på at forstå udviklingen af ​​massive stjerner.