Ny forskning sporer skæbnen for stjerner, der lever nær Mælkevejens centrale sorte hul

På trods af deres ældgamle tidsaldre fremstår nogle stjerner, der kredser om Mælkevejens centrale supermassive sorte hul, bedragerisk ungdommelige. Men i modsætning til mennesker, der kan virke forynget efter en ny omgang kollagenindsprøjtninger, ser disse stjerner unge ud af en meget mørkere grund.

De spiste deres naboer.

Dette er blot et af de mere ejendommelige resultater fra ny Northwestern University-forskning. Ved hjælp af en ny model sporede astrofysikere de voldsomme rejser af 1.000 simulerede stjerner, der kredsede om vores galakses centrale supermassive sorte hul, Skytten A* (Sgr A*).

Regionen er så tæt pakket med stjerner, at regionen ofte oplever brutale stjernekollisioner. Ved at simulere virkningerne af disse intense kollisioner finder det nye værk ud af, at kollisionsoverlevere kan miste masse for at blive afklædte, lavmassestjerner eller kan smelte sammen med andre stjerner for at blive massive og forynget i udseende.

"Regionen omkring det centrale sorte hul er tæt med stjerner, der bevæger sig med ekstremt høje hastigheder," sagde Northwesterns Sanaea C. Rose, der ledede forskningen.

"Det er lidt som at løbe gennem en utrolig overfyldt metrostation i New York City i myldretiden. Hvis du ikke støder ind i andre mennesker, så kommer du meget tæt forbi dem. For stjerner får disse nærkollisioner stadig dem til at interagere gravitationsmæssigt ønskede vi at udforske, hvad disse kollisioner og interaktioner betyder for stjernepopulationen og karakterisere deres resultater."

Rose præsenterer denne forskning ved American Physical Societys (APS) aprilmøde i Sacramento, Californien. "Stellar Collisions in the Galactic Center" finder sted torsdag (4. april) som en del af sessionen "Partikel Astrophysics and the Galactic Center."

Rose er Lindheimer Postdoc-stipendiat ved Northwesterns Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Hun begyndte dette arbejde som ph.d. kandidat ved UCLA.

Destineret til at kollidere

Centrum af vores Mælkevej er et mærkeligt og vildt sted. Tyngdekraften fra Sgr A* accelererer stjerner til at piske rundt i deres baner med skræmmende hastigheder. Og det store antal stjerner pakket ind i galaksens centrum er op mod en million. Den tætpakkede klynge plus de lynhurtige hastigheder er lig med et højhastigheds nedrivningsderby. I det inderste område – inden for 0,1 parsec fra det sorte hul – slipper få stjerner uskadt ud.

"Den nærmeste stjerne til vores sol er omkring fire lysår væk," forklarede Rose. "Inden for den samme afstand nær det supermassive sorte hul er der mere end en million stjerner. Det er et utroligt overfyldt kvarter. Oven i købet har det supermassive sorte hul en virkelig stærk tyngdekraft. Når de kredser om det sorte hul, kan stjernerne bevæge sig med tusindvis af kilometer i sekundet."

Inden for dette tætte, hektiske kvarter kan stjerner kollidere med andre stjerner. Og jo tættere stjerner bor på det supermassive sorte hul, øges sandsynligheden for kollision. Nysgerrig efter udfaldet af disse kollisioner udviklede Rose og hendes samarbejdspartnere en simulering for at spore skæbnen for stjernepopulationer i det galaktiske centrum. Simuleringen tager flere faktorer i betragtning:stjernehobens tæthed, stjernernes masse, kredsløbshastighed, tyngdekraft og afstande fra Sgr A*.

Fra "voldelige high fives" til totale fusioner

I sin forskning pegede Rose på én faktor, der mest sandsynligt bestemmer en stjernes skæbne:dens afstand fra det supermassive sorte hul.

Inden for 0,01 parsec fra det sorte hul støder stjerner - der bevæger sig med hastigheder på tusindvis af kilometer i sekundet - konstant ind i hinanden. Det er sjældent en frontal-kollision og mere som en "voldsom high five", som Rose beskriver det. Nedslagene er ikke stærke nok til at smadre stjernerne fuldstændigt. I stedet smider de deres ydre lag og fortsætter farten langs kollisionskursen.

"De slår ind i hinanden og fortsætter," sagde Rose. "De græsser bare hinanden, som om de udveksler en meget voldsom high five. Dette får stjernerne til at skubbe noget materiale ud og mister deres ydre lag. Afhængigt af hvor hurtigt de bevæger sig, og hvor meget de overlapper, når de kolliderer, kan de miste en hel del af deres ydre lag. Disse ødelæggende kollisioner resulterer i en population af mærkelige, afklædte stjerner med lav masse."

Uden for 0,01 parsecs bevæger stjerner sig i et mere afslappet tempo - hundredvis af kilometer i sekundet i modsætning til tusindvis. På grund af de langsommere hastigheder kolliderer disse stjerner med hinanden, men har så ikke energi nok til at undslippe. I stedet smelter de sammen for at blive mere massive. I nogle tilfælde kan de endda smelte sammen flere gange for at blive 10 gange mere massive end vores sol.

"Nogle få stjerner vinder kollisionslotteriet," sagde Rose. "Gennem kollisioner og fusioner indsamler disse stjerner mere brint. Selvom de blev dannet af en ældre befolkning, udgiver de sig som foryngede, ungt udseende stjerner. De er som zombiestjerner; de spiser deres naboer."

Men det ungdommelige udseende kommer på bekostning af en kortere forventet levetid.

"De dør meget hurtigt," sagde Rose. "Massive stjerner er ligesom gigantiske, gasslugende biler. De starter med en masse brint, men de brænder igennem det meget, meget hurtigt."

Ekstremt miljø 'i modsætning til alle andre'

Selvom Rose finder simpel glæde ved at studere den bizarre, ekstreme region nær vores galaktiske centrum, kan hendes arbejde også afsløre information om Mælkevejens historie. Og fordi den centrale klynge er ekstremt svær at observere, kan hendes teams simuleringer belyse ellers skjulte processer.

"Det er et miljø ulig alle andre," sagde Rose. "Stjerner, som er under indflydelse af et supermassivt sort hul i en meget overfyldt region, er ulig noget, vi nogensinde vil se i vores eget solkvarter. Men hvis vi kan lære om disse stjernepopulationer, så kan vi måske lære noget nyt om, hvordan det galaktiske center blev samlet. Det giver i det mindste et kontrastpunkt for kvarteret, hvor vi bor."

Roses APS-præsentation vil omfatte forskning udgivet af The Astrophysical Journal Letters i marts 2024 og af The Astrophysical Journal i september 2023.

Flere oplysninger: Sanaea C. Rose et al., Collisional Shaping of Nuclear Star Cluster Density Profiles, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI:10.3847/2041-8213/ad251f

Sanaea C. Rose et al., Stellar Collisions in the Galactic Center:Massive Stars, Collision Remnants, and Missing Red Giants, The Astrophysical Journal (2023). DOI:10.3847/1538-4357/acee75

Journaloplysninger: Astrofysisk tidsskrift , Astrofysiske tidsskriftsbreve , arXiv

Leveret af Northwestern University