Zombiesterren in het hart van de Melkweg trotseren de tijd

Nieuw onderzoek traceert het lot van sterren die in de buurt van de planeet leven MelkwegCentraliteit Zwart gat.

Ondanks hun hoge leeftijd zien sommige sterren die rond het centrale superzware zwarte gat van de Melkweg draaien, er bedrieglijk jong uit. Maar in tegenstelling tot mensen, die er misschien verjongd uitzien na een nieuwe ronde collageeninjecties, zien deze sterren er om een ​​donkerdere reden jeugdig uit.

Ze aten hun buren.

Dit is slechts een van de meer verrassende resultaten van het nieuwe Noordwestelijke Universiteit onderzoek. Met behulp van een nieuw model volgden astrofysici de gewelddadige reizen van 1.000 gesimuleerde sterren in een baan om het centrale superzware zwarte gat van onze Melkweg, Sagittarius A* (Sgr A*).

Omdat het zo vol is met sterren, ervaart de regio vaak brute sterbotsingen. Door de effecten van deze intense botsingen te simuleren, ontdekt het nieuwe werk dat overlevenden van botsingen massa kunnen verliezen om kale sterren met een lage massa te worden, of kunnen samensmelten met andere sterren om massief en verjongd te worden.

“Het gebied rond het centrale zwarte gat is dichtbegroeid met sterren die met zeer hoge snelheden bewegen”, zegt Sania C. Rose van de Northwestern University, die het onderzoek leidde. “Het is een beetje alsof je tijdens de spits door een ongelooflijk druk metrostation in New York City rent. Als je geen andere mensen tegenkomt, passeer je ze. Voor sterren zorgen deze nauwe botsingen er nog steeds voor dat ze in wisselwerking staan ​​met de zwaartekracht We wilden onderzoeken wat deze botsingen en interacties betekenen voor sterren en een beschrijving van hun resultaten.

Deze illustratie toont de banen van sterren heel dicht bij Sagittarius A*, een superzwaar zwart gat in het hart van de Melkweg. Bron: ESO / L. Calçada / Spaceengine.org

Rose presenteerde dit onderzoek vandaag (4 april) tijdens de aprilbijeenkomst van de American Physical Society (APS) in Sacramento, Californië. ‘Stellar Collisions at the Center of the Galaxy’ was onderdeel van de sessie ‘Astro-Particle Physics and the Center of the Galaxy’.

Rose is een Lindheimer Postdoctoral Fellow bij Northwestern's Centre for Interdisciplinaire Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Ik begon dit werk als Ph.D. Kandidaat binnen universiteit van CaliforniëZe werd geadviseerd door astrofysicus en voormalig postdoctoraal onderzoeker aan de Northwestern University Smadar Naoz.

Voorbestemd om te botsen

Het centrum van ons Melkwegstelsel is een vreemde en wilde plek. De zwaartekracht van Boogschutter A* versnelt de rotatie van sterren rond hun banen met angstaanjagende snelheden. Het enorme aantal sterren in het centrum van de Melkweg bereikt een miljoen sterren. Een dicht opeengepakte set plus halsbrekende snelheden staat gelijk aan een snelle sloopderby. In het binnenste gebied – binnen 0,1 parsec van het zwarte gat – ontsnappen enkele sterren ongedeerd.

“De dichtstbijzijnde ster bij onze zon is ongeveer vier lichtjaar verwijderd”, legt Rose uit. “En op dezelfde afstand in de buurt van het superzware zwarte gat bevinden zich meer dan een miljoen sterren. Het is een ongelooflijk drukke buurt. Bovendien heeft het superzware zwarte gat een heel sterke zwaartekracht. Terwijl ze om het zwarte gat draaien, kunnen de sterren bewegen met duizenden kilometers per seconde.”

En in deze smalle, hectische buurt kunnen sterren botsen met andere sterren. Hoe dichter de sterren bij het superzware zwarte gat komen, hoe groter de kans dat ze met elkaar botsen. Rose en haar medewerkers waren nieuwsgierig naar de uitkomsten van deze botsingen en ontwikkelden simulaties om het lot van sterrenhopen in het galactische centrum te volgen. Bij de simulatie wordt rekening gehouden met verschillende factoren: de massadichtheid van de sterren, de massa van de sterren, de omloopsnelheid, de zwaartekracht en de afstanden tot Boogschutter A*.

Van ‘gewelddadige high fives’ tot totale fusies

In haar onderzoek heeft Rose één factor geïdentificeerd die waarschijnlijk het lot van de ster zal bepalen: de afstand tot het superzware zwarte gat.

Op een afstand van 0,01 parsec van het zwarte gat botsen sterren – die zich met snelheden van duizenden kilometers per seconde voortbewegen – voortdurend met elkaar. Dit is zelden een frontale botsing, maar meer een ‘brute knock-out’, zoals Rose het beschrijft. De inslagen zijn niet sterk genoeg om de sterren volledig te vernietigen. In plaats daarvan werpen ze hun buitenste lagen af ​​en blijven ze langs het botspad rijden.

‘Ze komen elkaar tegen en gaan door,’ zei Rose. “Ze grazen elkaar alsof ze zeer gewelddadige slagen uitwisselen. Dit zorgt ervoor dat de sterren wat materiaal uitstoten en hun buitenste lagen verliezen. Afhankelijk van hoe snel ze bewegen en hoeveel ze elkaar overlappen als ze botsen, kunnen ze een aanzienlijk deel van hun materiaal verliezen. hun buitenste lagen. Deze destructieve botsingen resulteren in een groep vreemde sterren met een lage massa.

Boven de 0,01 parsec bewegen sterren in een rustiger tempo: honderden kilometers per seconde in plaats van duizenden. Door de lage snelheden botsen deze sterren met elkaar, maar hebben daarna niet genoeg energie om te ontsnappen. In plaats daarvan smelten ze samen en worden ze massiever. In sommige gevallen kunnen ze verschillende keren samensmelten en tien keer groter worden dan onze zon.

‘Sommige sterren winnen de botsingloterij,’ zei Rose. “Door botsingen en fusies verzamelen deze sterren meer waterstof. Ook al zijn ze gevormd door oudere mensen, ze doen zich voor als verjongde sterren. Ze lijken op zombiesterren. Ze eten hun buren op.”

Maar een jeugdig uiterlijk gaat ten koste van een kortere levensverwachting.

‘Ze sterven heel snel,’ zei Rose. “Grote sterren zijn als gigantische auto's die veel brandstof verbruiken. Ze beginnen met veel waterstof, maar verbranden daar heel snel doorheen.”

Ruwe omgeving 'ongeëvenaard'

Hoewel Rose eenvoudig plezier beleeft aan het bestuderen van het extreme en vreemde gebied nabij het centrum van onze Melkweg, kan haar werk ook informatie onthullen over de geschiedenis van de Melkweg. Omdat het centrale cluster moeilijk te monitoren is, kunnen de simulaties van haar team licht werpen op verborgen processen.

“Het is een omgeving als geen ander,” zei Rose. “De sterren, die onder de invloed staan ​​van een superzwaar zwart gat in een zeer dichtbevolkt gebied, zijn anders dan alles wat we ooit in onze zonnebuurt zullen zien. Maar als we deze sterrenhopen kunnen identificeren, kunnen we er misschien iets nieuws over leren.” Hoe het centrum van de Melkweg in elkaar zit. Het is in ieder geval een punt van contrast met de buurt waarin we leven.

Rose's presentatie voor APS omvatte onderzoek dat ze had gepubliceerd de Astrofysische dagboekbrieven In maart 2024 en uiterlijk de Astrofysisch tijdschrift In september 2023.

Referenties:

“Botsingsmodulatie van dichtheidsprofielen van nucleaire sterrenhopen” door Sanya C. Rose en Morgan MacLeod, 22 februari 2024, Astrofysische dagboekbrieven.
doi: 10.3847/2041-8213/ad251f

“Stellaire botsingen in het galactische centrum: massieve sterren, botsingsresten en ontbrekende rode reuzen” door Sanaa C. Rose, Smadar Naoz, Reem Sari en Itay Linial, 14 september 2023, Astrofysisch tijdschrift.
doi: 10.3847/1538-4357/acee75

Dit werk werd ondersteund door de National Science Foundation (Grant No. AST 2206428) en NASA (Grant No. 80NSSC20K050) en van een Charles E. Young Fellowship, een UCLA Dissertation Year Fellowship, een Thacher Fellowship, een Bhowmick Institute en een CIERA Lindheimer Fellowship.