Wetenschap
Simulaties demonstreren mogelijke mechanismen voor de vorming van zwarte gaten met gemiddelde massa in bolvormige sterrenhopen
Gezamenlijk onderzoek onder leiding van Michiko Fujii van de Universiteit van Tokio toont een mogelijk vormingsmechanisme aan van zwarte gaten met middelmatige massa in bolvormige sterrenhopen, sterrenhopen die tienduizenden of zelfs miljoenen dicht opeengepakte sterren kunnen bevatten.
De allereerste simulaties van massieve clustervorming van ster tot ster hebben aangetoond dat voldoende dichte moleculaire wolken, de 'geboortenesten' van sterrenhopen, zeer massieve sterren kunnen voortbrengen die kunnen evolueren tot zwarte gaten met een gemiddelde massa. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science .
"Eerdere waarnemingen hebben gesuggereerd dat sommige massieve sterrenhopen (bolvormige sterrenhopen) een zwart gat met gemiddelde massa (IMBH) herbergen", legt Fujii de motivatie voor het onderzoeksproject uit. ‘Een IMBH is een zwart gat met een massa van 100 tot 10.000 zonsmassa’s. Tot nu toe is er geen sterk theoretisch bewijs geweest dat het bestaan aantoont van IMBH met een massa van 1.000 tot 10.000 zonsmassa’s vergeleken met minder massieve (stellaire massa) en massievere massa’s. (superzware)."
Geboortenesten kunnen beelden van warmte en rust oproepen. Niet zo met sterren. Bolvormige sterrenhopen vormen zich in onrust. De verschillen in dichtheid zorgen er eerst voor dat sterren botsen en samensmelten. Terwijl de sterren blijven samensmelten en groeien, groeien de zwaartekrachten met hen mee.
De herhaalde botsingen tussen sterren in het dichte, centrale gebied van bolvormige sterrenhopen worden op hol geslagen botsingen genoemd. Ze kunnen leiden tot de geboorte van zeer massieve sterren met een massa van meer dan 1000 zonsmassa. Deze sterren zouden mogelijk kunnen evolueren naar IMBH's. Eerdere simulaties van reeds gevormde clusters suggereerden echter dat sterrenwinden het grootste deel van hun massa wegblazen, waardoor ze te klein blijven. Om te onderzoeken of IMBH's konden 'overleven', moesten onderzoekers een cluster simuleren terwijl deze zich nog aan het vormen was.
"Simulaties van sterclustervorming waren een uitdaging vanwege de simulatiekosten", zegt Fujii.
‘We hebben voor het eerst met succes numerieke simulaties van de vorming van bolvormige sterrenhopen uitgevoerd, waarbij we individuele sterren hebben gemodelleerd. Door individuele sterren met een realistische massa voor elk op te lossen, konden we de botsingen van sterren in een dicht opeengepakte omgeving reconstrueren. Voor deze simulaties hebben we hebben een nieuwe simulatiecode ontwikkeld, waarin we miljoenen sterren met hoge nauwkeurigheid kunnen integreren."
In de simulatie leidden de op hol geslagen botsingen inderdaad tot de vorming van zeer massieve sterren die zich ontwikkelden tot zwarte gaten met een gemiddelde massa. De onderzoekers ontdekten ook dat de massaverhouding tussen het cluster en de IMBH overeenkwam met die van de observaties die oorspronkelijk het project motiveerden.
"Ons uiteindelijke doel is om hele sterrenstelsels te simuleren door individuele sterren op te lossen", zegt Fujii.
‘Het is nog steeds moeilijk om sterrenstelsels ter grootte van de Melkweg te simuleren door individuele sterren op te lossen met behulp van de momenteel beschikbare supercomputers. Het zou echter mogelijk zijn om kleinere sterrenstelsels, zoals dwergstelsels, te simuleren. We willen ons ook richten op de eerste clusters, sterrenhopen gevormd in de vroege universum. Eerste clusters zijn ook plaatsen waar IMBH's kunnen worden geboren."