Neutronstjerner kunne fange oprindelige sorte huller

Mælkevejen har et manglende pulsarproblem i sin kerne. Astronomer har forsøgt at forklare dette i årevis. En af de mere interessante ideer kommer fra et hold af astronomer i Europa og påberåber sig mørkt stof, neutronstjerner og primordiale sorte huller (PBH'er).

Astronom Roberto Caiozzo, fra International School for Advanced Studies i Trieste, Italien, ledede en gruppe, der undersøgte problemet med manglende pulsarer. "Vi observerer ikke pulsarer af nogen art i denne indre region (bortset fra magnetaren PSR J1745-2900)," skrev han i en e-mail.

"Dette blev antaget at skyldes tekniske begrænsninger, men observationen af ​​magnetaren synes at antyde noget andet." Den magnetar kredser om Sagittarius A*, det sorte hul i kernen af ​​Mælkevejen.

Holdet undersøgte andre mulige årsager til, at pulsarer ikke optræder i kernen og så nøje på magnetardannelse samt forstyrrelser af neutronstjerner. En spændende idé, de undersøgte, var neutronstjernernes kannibalisering af primordiale sorte huller.

Holdet udforskede problemet med manglende pulsarer ved at stille spørgsmålet:kunne neutronstjerne-ur-sorte hul kannibalisme forklare manglen på detekterede millisekundpulsarer i kernen af ​​Mælkevejen? Lad os se på hovedspillerne i dette mysterium for at forstå, om dette kunne ske.

Neutronstjerner, pulsarer og små sorte huller, oh my

Teorien tyder på, at oprindelige sorte huller blev skabt i de første sekunder efter Big Bang. "PBH'er vides ikke at eksistere," påpeger Caiozzo, "men de synes at forklare nogle vigtige astrofysiske fænomener." Han pegede på ideen om, at supermassive sorte huller syntes at eksistere på meget tidlige tidspunkter i universet og foreslog, at de kunne have været frøene til disse monstre.

Hvis der er PHB'er derude, kan det kommende Nancy Grace Roman Telescope hjælpe med at finde dem. Astronomer forudsiger, at de kan eksistere i en række masser, lige fra massen af ​​en nål til omkring 100.000 solens masse. Der kunne være et mellemområde af dem i midten, de såkaldte "asteroide-masse" PBH'er. Astronomer foreslår disse sidste som mørkt stof-kandidater.

Mørkt stof udgør omkring 27% af universet, men udover at antyde, at PBH kunne være en del af mørkt stofindholdet, ved astronomer stadig ikke præcis, hvad det er. Der ser ud til at være en stor mængde af det i kernen af ​​vores galakse. Det er dog ikke blevet observeret direkte, så dets tilstedeværelse udledes. Er det bundet op i de mellemtone PBH'er? Ingen ved det.

Den tredje spiller i dette manglende pulsar-mysterium er neutronstjerner. De er enorme, dirrende kugler af neutroner, der er tilbage efter døden af ​​en supergigantisk stjerne på mellem 10 og 25 solmasser. Neutronstjerner starter meget varmt (i området 10 millioner K) og afkøles med tiden.

De starter med at dreje meget hurtigt, og de genererer magnetiske felter. Nogle udsender stråler af stråling (normalt i radiofrekvenser), og når de drejer, fremstår disse stråler som "impulser" af emission. Det gav dem tilnavnet "pulsar". Neutronstjerner med ekstremt kraftige magnetfelter kaldes "magnetarer."

Det manglende pulsarproblem

Astronomer har søgt i kernen af ​​Mælkevejen efter pulsarer uden den store succes. Undersøgelse efter undersøgelse opdagede ingen radiopulsarer inden for de indre 25 parsec af galaksens kerne. Hvorfor det? Caizzo og hans medforfattere foreslog i deres papir, udgivet til arXiv preprint server, at magnetardannelse og andre forstyrrelser af neutronstjerner, der påvirker pulsardannelsen, ikke ligefrem forklarer fraværet af disse objekter i den galaktiske kerne.

"Effektiv magnetardannelse kunne forklare dette (på grund af deres kortere levetid)," sagde han, "Men der er ingen teoretisk grund til at forvente dette. En anden mulighed er, at pulsarerne på en eller anden måde bliver forstyrret på andre måder."

Normalt sker forstyrrelser i binære stjernesystemer, hvor den ene stjerne er mere massiv end den anden, og den eksploderer som en supernova. Den anden stjerne eksploderer måske eller ikke. Noget kan sparke det helt ud af systemet. Den overlevende neutronstjerne bliver en "forstyrret" pulsar. De er ikke så lette at observere, hvilket kunne forklare manglen på radiodetektering.

Hvis ledsageren ikke bliver smidt ud og senere svulmer op, bliver dens stof suget væk af neutronstjernen. Det drejer neutronstjernen op og påvirker magnetfeltet. Hvis den anden stjerne forbliver i systemet, eksploderer den senere og bliver til en neutronstjerne. Resultatet er en binær neutronstjerne. Denne forstyrrelse kan være med til at forklare, hvorfor den galaktiske kerne ser ud til at være blottet for pulsarer.

Brug af primordial sort hul-fangst til at forklare manglende pulsarer

Caizzos team besluttede at bruge todimensionelle modeller af millisekunders pulsarer - det vil sige pulsarer, der spinder ekstremt hurtigt - som en måde at undersøge muligheden for primordial sort hulindfangning i den galaktiske kerne.

Processen fungerer således:en millisekundpulsar interagerer på en eller anden måde med et oprindeligt sort hul, der har mindre end én stjernemasse. Til sidst fanger neutronstjernen (som har en stærk nok tyngdekraft til at tiltrække PBH) det sorte hul. Når det sker, synker PBH til kernen af ​​neutronstjernen. Inde i kernen begynder det sorte hul at ophobe stof fra neutronstjernen.

Til sidst er det eneste, der er tilbage, et sort hul med omtrent samme masse som den oprindelige neutronstjerne. Hvis dette sker, kan det hjælpe med at forklare manglen på pulsarer i Mælkevejens indre parsecs.

Kunne dette ske? Holdet undersøgte de mulige hastigheder for fangst af PBH'er af neutronstjerner. De beregnede også sandsynligheden for, at en given neutronstjerne ville kollapse og vurderede forstyrrelseshastigheden af ​​pulsarer i den galaktiske kerne. Hvis ikke alle de forstyrrede pulsarer er eller var en del af binære systemer, så efterlader det neutronstjernefangst af PBH'er som en anden måde at forklare manglen på pulsarer i kernen. Men sker det i virkeligheden?

Manglende pulsarspænding fortsætter

Det viser sig, at en sådan kannibalisme ikke kan forklare det manglende pulsarproblem, ifølge Caizzo. "Vi fandt ud af, at i vores nuværende model er PBH'er ikke i stand til at forstyrre disse objekter, men dette er kun i betragtning af vores forenklede model for 2 kropsinteraktioner," sagde han. Det udelukker ikke eksistensen af ​​PHB'er, kun at sådan indfangning ikke sker i specifikke tilfælde.

Så hvad er der tilbage at undersøge? Hvis der er PHB'er i kernerne, og de smelter sammen, er der ingen, der har set dem endnu. Men centrum af galaksen er et travlt sted. En masse kroppe trænger sig på de centrale parsecs. Du skal beregne virkningerne af alle de objekter, der interagerer på så lille et rum. Dette problem med "mangekropsdynamik" skal tage højde for andre interaktioner såvel som dynamikken og indfangningen af ​​PBH'er.

Astronomer, der ønsker at bruge PBH-neutronstjernesammenlægninger til at forklare manglen på pulsarobservationer i galaksens kerne, bliver nødt til bedre at forstå både de foreslåede observationer og de større populationer af pulsarer.

Holdet foreslår, at fremtidige observationer af gamle neutronstjerner tæt på Sgr A* kan være meget nyttige. De ville hjælpe med at sætte stærkere grænser for antallet af PBH'er i kernen. Derudover ville det være nyttigt at få en idé om masserne af disse PBH'er, da dem i den nedre ende (asteroide-massetyper) kunne interagere meget forskelligt.

Flere oplysninger: Roberto Caiozzo et al, Revisiting Primordial Black Hole Capture af Neutron Stars, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2404.08057

Journaloplysninger: arXiv

Leveret af Universe Today