Zwarte gaten behoren tot de meest mysterieuze objecten in het universum, met zwaartekrachten die zo sterk zijn dat zelfs licht er niet aan kan ontsnappen. Op basis van het bewijs dat we nu hebben, zijn zwarte gaten sterrenlichamen, wat betekent dat ze worden geboren als sterren sterven.

De exacte mechanismen van hun vorming zijn echter nog steeds een mysterie. De nieuwe studie pakt een aantal van deze mysteries aan door processen als stellaire massa-ejectie en neutrino-emissie te bestuderen, die een cruciale rol spelen bij de vorming van zwarte gaten.

Phys.org sprak met eerste auteur Dr. Alejandro Vigna-Gómez, een postdoctoraal onderzoeker aan het Max Planck Instituut voor Astrofysica in Duitsland.

Toen hem werd gevraagd naar zijn motivatie om de vorming van zwarte gaten te bestuderen, zei hij:"De afgelopen tien jaar heeft mijn werk zich geconcentreerd op het snijpunt van de fysica van dubbelsterren en supernova's."

"Mijn interesse is gegroeid in de nasleep van recente doorbraken in de astronomie van zwarte gaten. De afgelopen jaren besefte ik dat zware zwarte gaten belangrijke inzichten zouden kunnen bieden in de processen van het instorten van sterren die tot hun ontstaan ​​leiden."

Natal kicks en neutronensterren

Wanneer een ster groter dan onze zon het einde van zijn leven bereikt, leidt dit tot een extreem heldere en gewelddadige explosie die een supernova-explosie wordt genoemd. Deze explosies zijn zo helder dat ze kortstondig de helderheid van een heel sterrenstelsel kunnen overtreffen en een groot aantal neutrino's vrij kunnen laten, waardoor een neutronenster achterblijft.

De tijdens de explosie uitgestoten stellaire massa heeft een snelheid van duizenden kilometers per seconde, maar is niet altijd gelijkmatig verdeeld. Deze asymmetrie leidt tot grootschalige asymmetrieën in de overblijfselen van de explosie, die zijn waargenomen bij neutronensterren.

Deze asymmetrische uitgestoten massa veroorzaakt een terugslag naar de neutronenster, een zogenaamde geboortekick, waardoor deze met hoge snelheid door het sterrenstelsel beweegt. Natal-kicks zijn eerder waargenomen bij neutronensterren, maar niet bij zwarte gaten.

Zwarte gaten ontstaan ​​wanneer, in plaats van een explosie, een stervende ster in zichzelf instort. We komen dus bij de vraag van de onderzoekers:kunnen geboorteschokken ook een rol spelen bij de vorming van zwarte gaten?

Zwarte gat binaire bestanden

‘De afgelopen jaren zijn er verschillende zwart-gat dubbelsterren ontdekt in onze Melkweg en zijn omgeving. Ze worden meestal gedetecteerd via röntgenstraling, maar slechts een paar zijn gedetecteerd via enkellijnige spectroscopie [een andere methode] als röntgenstraling. straalstille binaire bestanden,” zei Dr. Vigna-Gómez.

Deze dubbelstersystemen zenden geen significante hoeveelheden röntgenstraling uit, wat indicatief kan zijn voor de evolutiestadia van de sterren in het dubbelstersysteem.

De onderzoekers kozen voor hun onderzoek het sterrenstelsel VFTS 243, omdat dit een van de zwaarste zwarte gaten van deze dubbelsterren herbergt.

Het dubbelstersysteem bestaat uit een zwart gat en een massieve ster. De onderzoekers wilden de omstandigheden bestuderen waaronder het zwarte gat werd gevormd, zoals de verloren stellaire massa en de geboorteschokken die met de vorming ervan gepaard gaan.

De onderzoekers bouwden voort op recente waarnemingen van verdwijnende sterren, sterren die stierven en zonder explosie zwarte gaten werden. Bovendien zijn deze dubbelstersterren met zwarte gatmassa (dit is de officiële term) inert, wat betekent dat er weinig interactie is tussen de ster en het zwarte gat nadat het zwarte gat is gevormd.

Beperkingen op de geboortekick

De onderzoekers gebruikten een semi-analytische benadering om de waarschijnlijkheid te berekenen dat een geboorteschop tijdens de vorming van het zwarte gat zou leiden tot de waargenomen configuratie van het systeem.

Voor het analyseren van de vorming van het systeem gebruikten de onderzoekers verschillende beperkingen, zoals de omlooptijd, de excentriciteit en de systemische radiale snelheid van het systeem. Daarnaast voerden ze schattingen uit voor neutrino-asymmetrieën op lange termijn tijdens de vorming van het zwarte gat (ervan uitgaande dat dit het gevolg was van een volledige ineenstorting en niet van een explosie).

Dr. Vigna-Gómez vatte de bevindingen samen door te zeggen:‘We ontdekken dat het zwarte gat van VFTS 243 zonder explosie is gevormd en een lage neutrino-natale kick had, als die er al was. Dit suggereert dat neutrino’s vrijwel gelijkmatig in alle richtingen werden uitgestoten toen de enorme neutrino’s werden uitgestoten. stamvader stortte in een zwart gat."

Voor VFTS 243 beperkten de onderzoekers de geboortesnelheid tot minder dan of gelijk aan ongeveer 10 kilometer per seconde. Ze ontdekten dat het meest waarschijnlijke scenario is dat er ongeveer 0,3 zonsmassa's werden uitgestoten, vermoedelijk in de vorm van neutrino's, en dat het zwarte gat een geboorteschok van ongeveer 4 kilometer per seconde kreeg.

Toekomstig werk

Deze bevindingen hebben implicaties voor de vorming van andere zwarte gaten, wat erop wijst dat sommige ervan kunnen worden gevormd via volledige ineenstorting, zonder explosie.

Bovendien is de neutrino-emissie op lange termijn bij voorkeur sferisch symmetrisch (gelijk in alle richtingen), wat het ontbreken van een sterke geboorte-kick voor het binaire systeem verklaart.

Dr. Vigna-Gómez voegde hieraan toe:"Het lijkt erop dat de theoretische intuïtie die we hebben gebouwd op het feit dat zwarte gaten minder geboorte-kicks hebben dan neutronensterren, juist was."

‘Deze analyse laat zien dat VFTS 243 kan worden gebruikt als een benchmarksysteem voor de simulatie van supernova’s die instorten, dat wil zeggen dat simulaties van sterren die instorten tot zwarte gaten met een massa van ongeveer tien zonsmassa’s moeten aansluiten bij de kleine neutrino-asymmetrieën en geboorteschokken die concludeerden we voor VFTS 243."

Het bouwen van raamwerken voor een populatie zwarte gaten zou de volgende stap zijn voor de onderzoekers in hun poging de evolutie van massieve sterren te begrijpen.