Wetenschap
Nieuw onderzoek volgt het lot van sterren die in de buurt van het centrale zwarte gat van de Melkweg leven
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 veel donkerdere reden jong uit.
Ze aten hun buren op.
Dit is slechts een van de meer bijzondere bevindingen uit nieuw onderzoek van de Northwestern University. Met behulp van een nieuw model hebben astrofysici de gewelddadige reizen gevolgd van 1.000 gesimuleerde sterren die rond het centrale superzware zwarte gat van onze Melkweg draaien, Sagittarius A* (Sgr A*).
Het gebied is zo dicht bezaaid met sterren dat er regelmatig brute botsingen tussen sterren plaatsvinden. Door de effecten van deze intense botsingen te simuleren, blijkt uit het nieuwe werk dat overlevenden van botsingen massa kunnen verliezen om uitgeklede sterren met een lage massa te worden, of kunnen samensmelten met andere sterren om massief te worden en er jonger uit te zien.
"Het gebied rond het centrale zwarte gat is dichtbegroeid met sterren die met extreem hoge snelheden bewegen", zegt Sanaea C. Rose van Northwestern, 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 niet tegen andere mensen botst, passeer je ze heel dichtbij. Voor sterren zorgen deze bijna-botsingen er nog steeds voor dat ze met elkaar in wisselwerking staan. We wilden onderzoeken wat deze botsingen en interacties betekenen voor de sterrenpopulatie en hun uitkomsten karakteriseren."
Rose presenteert dit onderzoek op de aprilbijeenkomst van de American Physical Society (APS) in Sacramento, Californië. "Stellar Collisions in the Galactic Center" vindt plaats op donderdag (4 april) als onderdeel van de sessie "Particle Astrophysics and the Galactic Center."
Rose is de Lindheimer Postdoctoral Fellow bij Northwestern's Centre for Interdisciplinaire Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Ze begon dit werk als Ph.D. kandidaat aan de UCLA.
Voorbestemd om te botsen
Het centrum van onze Melkweg is een vreemde en wilde plek. De zwaartekracht van Sgr A* zorgt ervoor dat sterren met angstaanjagende snelheden rond hun banen draaien. En het enorme aantal sterren in het centrum van de Melkweg bedraagt ruim een miljoen. Het dicht opeengepakte cluster plus de bliksemsnelle snelheden staan gelijk aan een snelle sloopderby. In het binnenste gebied (binnen 0,1 parsec van het zwarte gat) ontsnappen maar weinig sterren ongeschonden.
"De dichtstbijzijnde ster bij onze zon is ongeveer vier lichtjaar verwijderd", legde Rose uit. ‘Binnen diezelfde afstand nabij 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 sterren bewegen met duizenden kilometers per seconde."
In deze krappe, hectische buurt kunnen sterren botsen met andere sterren. En hoe dichter sterren bij het superzware zwarte gat leven, hoe groter de kans op een botsing. Nieuwsgierig naar de uitkomsten van deze botsingen, ontwikkelden Rose en haar medewerkers een simulatie om het lot van sterpopulaties in het galactische centrum te volgen. Bij de simulatie wordt rekening gehouden met verschillende factoren:dichtheid van de sterrenhoop, massa van de sterren, baansnelheid, zwaartekracht en afstanden tot de Sgr A*.
Van 'gewelddadige high fives' tot totale fusies
In haar onderzoek heeft Rose één factor geïdentificeerd die waarschijnlijk het lot van een ster zal bepalen:de afstand tot het superzware zwarte gat.
Binnen 0,01 parsec van het zwarte gat botsen sterren – die bewegen met snelheden van duizenden kilometers per seconde – voortdurend tegen elkaar aan. Het is zelden een frontale botsing en meer een ‘gewelddadige high five’, 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 de ramkoers rijden.
'Ze botsen op elkaar en gaan door,' zei Rose. ‘Ze grazen elkaar gewoon alsof ze een zeer gewelddadige high five 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 verliezen. een flink deel van hun buitenste lagen. Deze destructieve botsingen resulteren in een populatie van vreemde, uitgeklede sterren met een lage massa."
Buiten 0,01 parsec bewegen sterren in een rustiger tempo:honderden kilometers per seconde in plaats van duizenden. Door de lagere 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 zelfs meerdere keren samensmelten en zo 10 keer zo zwaar worden als onze zon.
'Een paar sterren winnen de botsingloterij,' zei Rose. "Door botsingen en samensmeltingen verzamelen deze sterren meer waterstof. Hoewel ze uit een oudere populatie zijn gevormd, doen ze zich voor als verjongde, jong uitziende sterren. Ze lijken op zombiesterren; ze eten hun buren op."
Maar het jeugdige uiterlijk gaat ten koste van een kortere levensverwachting.
‘Ze sterven heel snel,’ zei Rose. "Massave sterren lijken op gigantische, benzineslurpende auto's. Ze beginnen met veel waterstof, maar branden er heel, heel snel doorheen."
Extreme omgeving 'anders dan alle andere'
Hoewel Rose eenvoudig plezier beleeft aan het bestuderen van de bizarre, extreme regio nabij ons galactisch centrum, kan haar werk ook informatie onthullen over de geschiedenis van de Melkweg. En omdat de centrale cluster uiterst moeilijk waar te nemen is, kunnen de simulaties van haar team anders verborgen processen aan het licht brengen.
"Het is een omgeving die anders is dan alle andere", zei Rose. ‘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 eigen zonnebuurt zullen zien. Maar als we meer over deze sterrenpopulaties kunnen leren, kunnen we misschien ook iets leren. nieuw over hoe het galactische centrum werd samengesteld. Het biedt op zijn minst zeker een contrastpunt voor de buurt waar we wonen."
Rose's APS-presentatie omvat onderzoek gepubliceerd door The Astrophysical Journal Letters in maart 2024 en door The Astrophysical Journal in september 2023.