Gwiazdy krążące wokół centralnej czarnej dziury Drogi Mlecznej mogą mieć zaskakująco zwyczajne pochodzenie

Gwiazdy krążące wokół centralnej czarnej dziury Drogi Mlecznej od lat stanowią zagadkę dla astronomów. Nowe badanie sugeruje, że mogły powstać znacznie bardziej zwyczajnie, niż dotąd sądzono, mimo ekstremalnych warunków panujących w pobliżu Sagittarius A*.

Gwiazdy krążące wokół centralnej czarnej dziury Drogi Mlecznej

.W ramach nowego badania naukowcy pod kierownictwem Rodrigo P. Silvy z University of Coimbra odkryli, że młode gwiazdy krążące wokół centralnej czarnej dziury Drogi Mlecznej mogą mieć zaskakująco zwyczajne pochodzenie. Wpływ tego niezwykle gęstego obiektu może jednak sprawiać, że ich historia wydaje się bardziej niezwykła, niż jest w rzeczywistości. Oprócz kształtowania ich orbit Sagittarius A* może również niszczyć ich gwiezdnych towarzyszy. Badanie zostało opisane w czasopiśmie „Astronomy & Astrophysics”.

Gromada gwiazd znana jako gromada S znajduje się bardzo blisko centralnej supermasywnej czarnej dziury Drogi Mlecznej, Sagittarius A*, w odległości około 0,13 roku świetlnego. Czarna dziura ma masę około 4 milionów razy większą od masy Słońca.

Gwiazdy typu widmowego B są zaskakująco młode, mają średnio zaledwie kilka milionów lat. Jednak powstawanie gwiazd w typowy sposób nie powinno być możliwe tak blisko czarnej dziury. Jej silna grawitacja powinna rozerwać każdą chmurę gazu, zanim ta zdąży się zapaść i utworzyć tego rodzaju obiekt. Astronomowie określają tę zagadkową sytuację mianem „paradoksu młodości” („paradox of youth”).

Dwa możliwe scenariusze powstania gwiazd

.Naukowcy zakładają dwa możliwe wyjaśnienia powstania młodych gwiazd w gromadzie S. Według pierwszego scenariusza uformowały się one w miejscu, w którym znajdują się obecnie. Ich narodziny mogły być związane z potężnym rozbłyskiem Sagittarius A* około 6 milionów lat temu. Powstały w jego wyniku wypływ mógł sprężyć otaczający gaz, tworząc powłokę, która następnie rozpadła się na fragmenty, z których powstały gwiazdy. Teoria ta jest określana jako fragmentacja powłoki gazowej (gas-shell fragmentation).

Drugie wyjaśnienie zakłada natomiast, że gwiazdy powstały dalej od centrum, a następnie przemieściły się do wewnątrz. Jedna z możliwości zakłada, że uformowały się one dalej, w oddzielnej, dobrze znanej strukturze dyskowej, a następnie z czasem migrowały w kierunku jądra. Taki scenariusz trudno jednak pogodzić z wysokimi i niemal losowymi ekscentrycznościami orbit gwiazd gromady S oraz z tym, że te typu widmowego B miałyby migrować, podczas gdy gwiazdy typu widmowego O i Wolfa-Rayeta już nie.

Zdaniem naukowców inną możliwością byłby mechanizm Hillsa. W tym scenariuszu Sagittarius A* rozrywałby nadlatujący układ podwójny, przechwytując jeden z obiektów i wyrzucając jego towarzysza jako gwiazdę hiperprędkościową. Jednak te odkrywane w pobliżu centrum Galaktyki są znacznie starsze niż gwiazdy gromady S. Dodatkowo taki mechanizm pozostawiłby w tej strukturze niemal żadnych układów podwójnych. Nie pasuje to do niedawnego odkrycia D9 – układu podwójnego znajdującego się w tej gromadzie.

Symulacje pokazują wpływ czarnej dziury

.Istnieje również różnica między odsetkiem gwiazd podwójnych w gromadzie S a otaczającymi ją młodymi populacjami. Jak wskazują naukowcy, około 69 ± 9 proc. masywnych gwiazd występujących poza gromadami w Galaktyce znajduje się w układach podwójnych, podczas gdy wcześniejsze obserwacje sugerowały niższy odsetek takich układów w pobliżu Sagittarius A*. Odkrycie D9 skłoniło badaczy do ponownej analizy tej możliwości.

Astronomowie dokładniej określili odsetek układów podwójnych wśród gwiazd gromady S. Wyniósł on 43 ± 9 proc. Aby sprawdzić, czy scenariusz zakładający, że obiekty te powstały w miejscu, gdzie znajdują się obecnie, pozwala uzyskać taką wartość, badacze przeprowadzili symulacje komputerowe, w których przez 1 milion lat śledzili 100 tys. symulowanych układów podwójnych.

W symulacjach uwzględnili realistyczne orbity odpowiadające obserwowanej strukturze gromady S. Przyjęli początkowy odsetek układów podwójnych wynoszący 69 proc., zgodny ze standardową wartością obserwowaną wśród masywnych gwiazd. Następnie pozwolili, aby w symulacjach działały grawitacja i siły pływowe czarnej dziury.

Badacze śledzili trzy możliwe losy każdego układu podwójnego: przetrwanie w niezmienionej postaci, połączenie się gwiazd w jedną lub rozerwanie pary.

Okazało się, że 62 proc. układów przetrwało, 18 proc. połączyło się, a 20 proc. zostało rozerwanych. W efekcie przewidywany końcowy odsetek układów podwójnych w populacji gwiazd gromady S wyniósł około 38 ± 10 proc., co zdaniem naukowców było zgodne z obserwowaną wartością w granicach niepewności.

Wyniki wspierają powstanie gwiazd na miejscu

.Badacze sprawdzili również, jak przewidywany odsetek układów podwójnych powinien zmieniać się wraz z odległością od czarnej dziury. Wyniki były zgodne z obserwacjami dla różnych odległości. Jak wskazują astronomowie, rezultaty wspierają więc pogląd, że młode gwiazdy powstały w pobliżu centrum Galaktyki, a nie migrowały tam z innych miejsc.

Zdaniem naukowców wyniki wskazują na wspólny mechanizm powstawania gwiazd w tym regionie. Mniejszy odsetek układów podwójnych w pobliżu Sagittarius A* wynika przede wszystkim z nasilającego się oddziaływania sił pływowych, które prowadzą do ich rozpadu. Rezultaty wspierają scenariusz, w którym gwiazdy powstały w pobliżu centrum Galaktyki, na przykład w wyniku fragmentacji powłoki gazowej.

Emil Gołoś