Wetenschappers van MIPT, de Universiteit van Oxford, en de Russische Academie van Wetenschappen heeft een schatting gemaakt van het aantal sterren dat is verstoord door solitaire superzware zwarte gaten in galactische centra die zijn gevormd door fusies van sterrenstelsels die superzware zwarte gaten bevatten. De astrofysici hebben vastgesteld of zwaartekrachteffecten die ontstaan ​​doordat twee zwarte gaten dichter bij elkaar komen, kunnen verklaren waarom er minder sterren worden waargenomen die door zwarte gaten worden gevangen dan theoretische basismodellen voorspellen.

In hun studie gepubliceerd in Het astrofysische tijdschrift , de onderzoekers keken naar het samenspel van dynamische mechanismen die van invloed zijn op het aantal sterren in een melkwegstelsel dat per tijdseenheid wordt gevangen (de getijdenverstoringssnelheid). Een geavanceerd theoretisch model leverde resultaten op die nog meer inconsistent zijn met waarnemingen, wat het team ertoe bracht te veronderstellen dat de verstoring van sterren in galactische kernen kan plaatsvinden zonder onze medeweten.

Verstoring van sterren

Getijdenverstoringen, of TDE's, zijn de enige beschikbare informatiebron van inactieve galactische kernen. Er is ten minste één superzwaar zwart gat in het centrum van de meeste sterrenstelsels. Omgeven door dichte centrale sterrenhopen, zwarte gaten bezetten gebieden die bekend staan ​​als galactische kernen. Zoals hun naam al doet vermoeden, zwarte gaten zenden geen licht uit. Echter, wanneer materie op het centrale massieve object valt, het wordt verwarmd tot extreme temperaturen en kan worden waargenomen met een telescoop. Actieve sterrenstelsels hebben gaswolken die zwarte gaten voeden, waardoor ze zichtbaar worden. Echter, ongeveer 90 procent van de sterrenstelsels blijft "stil, " omdat ze geen gaswolken bevatten en daarom maakt het zwarte gat niet uit om andere te consumeren dan sterren die af en toe te dichtbij afdwalen. Wanneer dit gebeurt, de ster wordt uit elkaar getrokken door getijdenkrachten, ervaren wat bekend staat als "spaghettificatie, " en astronomen detecteren een getijdenverstoring (TDE). Tot nu toe, er zijn ongeveer 50 uitbarstingen van straling waargenomen die verband houden met TDE's. Er wordt gerekend dat de gemiddelde snelheid van stellaire verstoring één ster per tiental bedraagt, 000 tot 100, 000 jaar per melkweg. Op basis van deze gegevens, de wetenschappers proberen een betrouwbaar model te ontwikkelen van wat er gebeurt in inactieve galactische kernen.

Stel dat een bolvormig sterrenstelsel in een vacuüm is

Het eenvoudigste theoretische model betreft een melkwegstelsel waarvan de kern bolvormig is en een superzwaar zwart gat in het midden heeft. Om het zwarte gat draaien sterren die de richting van hun beweging veranderen als ze langs elkaar passeren, de manier waarop biljartballen van elkaar afkaatsen als ze op tafel botsen. Echter, terwijl een biljartbal recht naar het gat moet bewegen om erin te vallen, een ster heeft meer opties:het is voldoende dat zijn snelheidsvector zich in de zogenaamde verlieskegel bevindt, om ervoor te zorgen dat de ster uiteindelijk wordt gevangen en verstoord door de zwaartekracht van het zwarte gat. Volgens dit zeer eenvoudige model, er moet elke 1 gemiddeld één ster per sterrenstelsel worden vastgelegd 000 tot 10, 000 jaar, d.w.z., vaker dan waargenomen. Hoewel het model kan worden verbeterd door rekening te houden met een aantal andere factoren (bijv. het verschil in de massa van sterren), dit zou de voorspelde getijdenverstoringspercentages alleen maar verder verhogen.

Het katapulteffect

Momenteel, er is slechts één mechanisme besproken in gepubliceerde bronnen dat verantwoordelijk zou kunnen zijn voor het feit dat er minder sterren worden vastgelegd dan verwacht. nieuwsgierig, het vereist dat de meeste sterren met een laag impulsmoment verdwijnen, bij wijze van spreken. Maar laten we eerst een analoog geval met gasdiffusie onderzoeken. Stel dat er gasmoleculen in willekeurige beweging zijn in een vat waarvan de wanden de moleculen kunnen absorberen. Stel je nu voor dat de moleculen die zich het dichtst bij de muren bevinden, zijn verwijderd. Het voor de hand liggende gevolg hiervan zou zijn dat er minder moleculen per tijdseenheid worden geabsorbeerd, omdat de resterende moleculen nog een bepaalde afstand moeten afleggen voordat ze in contact kunnen komen met een muur. evenzo, als sterren uit het centrum van de melkweg worden verwijderd, de stellaire verstoring zal dalen. Van nature, de sterren kunnen niet zomaar in het niets verdwijnen; maar als de melkweg een binair zwart gat herbergt, dan kunnen individuele sterren uit de melkweg worden geworpen door middel van een zogenaamde gravitationele katapult, een manoeuvre die ook bekend staat als een zwaartekrachthulp wanneer er door de mens gemaakte ruimtevaartuigen bij betrokken zijn.

De wet van behoud van energie houdt in dat wanneer een ster wordt versneld (d.w.z. ontvangt extra kinetische energie), de energie van het binaire zwarte gat moet worden verminderd. Als resultaat, de twee zwarte gaten naderen elkaar en beginnen te versmelten. Eventueel, wanneer de fusie bijna voltooid is, een deel van de energie wordt naar buiten uitgestraald in de vorm van zwaartekrachtgolven, zoals blijkt uit deze recente sensationele ontdekking.

Een niet-bolvormig sterrenstelsel in een vacuüm

Hoewel een samensmelting van sterrenstelsels gepaard kan gaan met een afname van de snelheid van sterverstoring, het tegenovergestelde effect is ook waargenomen. Het heeft te maken met het feit dat elke galactische kern die een product is van een fusie, enigszins niet bolvormig is. In een niet-bolvormige kern, sterren zijn grondiger vermengd; Vandaar, er zijn meer sterren waarvan de banen dicht bij het zwarte gat liggen. Dit betekent dat er meer sterren beschikbaar zijn om te worden vastgelegd en dat de TDE-snelheid omhoog gaat, ondanks het slingshot-effect. Om erachter te komen hoe het samenspel van deze twee tegengestelde factoren de snelheid van stellaire verstoring beïnvloedt, Kirill Lezhnin en Eugene Vasiliev - beide afgestudeerden van het MIPT - voerden de nodige berekeningen uit en onderzochten de invloed die zwarte gatmassa, nucleaire sterrenhoop geometrie, en initiële voorwaarden hebben op verstoringspercentages.

Nog meer vernietiging

Het bleek dat het effect van het verwijderen van sterren uit het centrum van het melkwegstelsel door middel van een zwaartekrachtkatapult in alle gevallen verwaarloosbaar was, behalve in het sferische sterrenstelsel-in-een-vacuüm scenario. Opgemerkt moet worden, echter, dat de vorm van een melkwegstelsel gevormd in een fusie nooit een perfecte bol is. Wat de resultaten van berekeningen betreft, de bottom line is dat een gemiddelde van één ster per 10, 000 jaar per melkwegstelsel zou moeten worden verstoord. En hoewel dit aantal goed overeenkomt met eerdere theoretische voorspellingen, het roept ook de vraag op:waarom is het zo dat er minder TDE's worden waargenomen dan theoretische modellen zouden verwachten?

Kirill Lezhnin, een van de auteurs van het onderzoek, legt het belang van de onderzoeksresultaten uit:"We hebben aangetoond dat de waargenomen lage verstoringspercentages niet kunnen worden verklaard door het katapulteffect. er moet een ander mechanisme worden gevonden dat buiten het domein van onderzoek naar stellaire dynamiek ligt. Alternatief, de TDE-tarieven die we hebben bereikt, kunnen in feite juist zijn. We moeten dan een verklaring vinden waarom ze niet worden waargenomen."