Simuleringer demonstrerer potentielle mekanismer for dannelse af sorte huler i mellemmasse i kugleformede klynger

Fælles forskning ledet af Michiko Fujii fra University of Tokyo demonstrerer en mulig dannelsesmekanisme af sorte huller med mellemmasse i kuglehobe, stjernehobe, der kan indeholde titusinder eller endda millioner af tætpakkede stjerner.

De første simuleringer af massive hobedannelser nogensinde afslørede, at tilstrækkeligt tætte molekylære skyer, stjernehobenes "fødselsreder", kan føde meget massive stjerner, der udvikler sig til sorte huller med mellemmasse. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Science .

"Tidligere observationer har antydet, at nogle massive stjernehobe (kuglehobe) er vært for et sort hul med mellemmasse (IMBH)," forklarer Fujii motivationen for forskningsprojektet. "En IMBH er et sort hul med en masse på 100-10.000 solmasser. Indtil videre har der ikke været nogen stærke teoretiske beviser for at vise eksistensen af ​​IMBH med 1.000-10.000 solmasser sammenlignet med mindre massiv (stjernemasse) og mere massiv (supermassive) dem."

Fødselsreder kan fremmane billeder af varme og ro. Ikke sådan med stjerner. Kugleformede stjernehobe dannes i uro. Forskellene i tæthed får først stjerner til at kollidere og smelte sammen. Efterhånden som stjernerne fortsætter med at smelte sammen og vokse, vokser gravitationskræfterne med dem.

De gentagne stjernekollisioner i den tætte, centrale region af kuglehobe kaldes løbske kollisioner. De kan føre til fødslen af ​​meget massive stjerner med mere end 1000 solmasser. Disse stjerner kan potentielt udvikle sig til IMBH'er. Tidligere simuleringer af allerede dannede klynger antydede imidlertid, at stjernevinde blæser det meste af deres masse væk, hvilket efterlader dem for små. For at undersøge, om IMBH'er kunne "overleve", var forskere nødt til at simulere en klynge, mens den stadig dannedes.

"Simuleringer af stjerneklyngedannelse var udfordrende på grund af simuleringsomkostningerne," siger Fujii.

"Vi udførte for første gang med succes numeriske simuleringer af kuglehobedannelse, idet vi modellerede individuelle stjerner. Ved at opløse individuelle stjerner med en realistisk masse for hver, kunne vi rekonstruere kollisioner af stjerner i et tætpakket miljø. Til disse simuleringer har vi har udviklet en ny simuleringskode, hvori vi kunne integrere millioner af stjerner med høj nøjagtighed."

I simuleringen førte de løbske kollisioner faktisk til dannelsen af ​​meget massive stjerner, der udviklede sig til sorte huller med mellemmasse. Forskerne fandt også, at masseforholdet mellem klyngen og IMBH svarede til de observationer, der oprindeligt motiverede projektet.

"Vores endelige mål er at simulere hele galakser ved at opløse individuelle stjerner," siger Fujii.

"Det er stadig svært at simulere galakser på størrelse med Mælkevejen ved at opløse individuelle stjerner ved hjælp af aktuelt tilgængelige supercomputere. Det ville dog være muligt at simulere mindre galakser såsom dværggalakser. Vi ønsker også at målrette mod de første hobe, stjernehobe dannet i tidlige univers. Første klynger er også steder, hvor IMBH'er kan blive født."