Waarom verdwijnen sterren op mysterieuze wijze uit de nachtelijke hemel?

Een technische impressie van het binaire VTFS 243-systeem. Credit: ESOL. Calzada CC BY 4.0

Astrofysici van de Universiteit van Kopenhagen helpen een mysterieus fenomeen te verklaren waarbij sterren plotseling uit de nachtelijke hemel verdwijnen. Hun onderzoek naar een ongewoon dubbelstersysteem heeft overtuigend bewijs opgeleverd dat massieve sterren volledig kunnen instorten en zwarte gaten kunnen worden zonder een supernova-explosie.

Op een dag zal de ster in het centrum van ons zonnestelsel, de zon, beginnen uit te zetten totdat hij de aarde overspoelt. Het zal dan steeds onstabieler worden totdat het uiteindelijk krimpt tot een klein, compact lichaam dat bekend staat als een witte dwerg.

Als de zon echter ongeveer acht of meer keer zo massief zou zijn, zou hij waarschijnlijk exploderen in een enorme explosie – in de vorm van een supernova. De ineenstorting ervan zal een explosie veroorzaken, waarbij energie en massa met enorme kracht de ruimte in worden geslingerd, voordat een enorme massa energie achterblijft. Neutronenster Of een zwart gat in zijn kielzog.

Hoewel dit basiskennis is over hoe massieve sterren sterven, valt er nog veel te begrijpen over de sterrenhemel erboven en de spectaculaire dood van deze sterren in het bijzonder.

Het dubbelstersysteem VFTS 243 bevindt zich in het dwergstelsel “Grote Magelhaanse Wolk” in de buurt van de Melkweg. De Magelhaense Wolken zijn satellietstelsels van de Melkweg. Deze dwergstelsels, die rond het galactische centrum draaien, zijn alleen zichtbaar vanaf het zuidelijk halfrond. Hier zijn ze te zien boven de hulptelescopen van de Very Large Telescope (VLT) van de European Southern Observatory in Paranal, Chili. Krediet: JC Muñoz/ESO

Nieuw onderzoek door astrofysici van het Niels Bohr Instituut van de Universiteit van Kopenhagen levert het sterkste bewijs tot nu toe dat zeer massieve sterren een veel grotere stealth en geheimhouding kunnen ondergaan dan supernova’s. Hun onderzoek suggereert zelfs dat de zwaartekracht van een ster met voldoende massa zo sterk kan zijn dat er geen explosie zou plaatsvinden als hij stierf. Als alternatief zou de ster een zogenaamde volledige ineenstorting kunnen ondergaan.

“Wij geloven dat de kern van de ster onder zijn eigen gewicht zou kunnen instorten, zoals gebeurt met massieve sterren in de laatste fase van hun leven. Maar in plaats van dat de ineenstorting culmineert in een heldere supernova-explosie die het sterrenstelsel overtreft, zijn sterren die meer dan acht keer zo zwaar zijn. naar verwachting zal bestaan.” Zon, de ineenstorting gaat door totdat de ster een ster wordt. Zwart gat“Verklaart eerste auteur Alejandro Vigna-Gomez, die postdoctoraal onderzoeker was aan het Niels Bohr Instituut toen deze studie begon.

Feiten en mythen: Verdwijnende sterren

In de moderne tijd zijn er veel observaties over geweest Sterren die op onverklaarbare wijze verdwijnen.

“Een onderzoek over niets.” Onder leiding van astrofysicus Chris Kochanek is het een voorbeeld van een onderzoeksinspanning die actief zoekt naar verdwijnende sterren en verklaringen voor hun verdwijning.

De nieuwsgierige lezer kan zich ook verdiepen in de historische beschrijvingen. Het heeft vaak iets te maken met het plotseling verdwijnen van heldere sterren, consistent met supernovascenario’s. Maar er zijn andere verhalen over sterren die plotseling verdwijnen, zoals de Griekse mythe die verband houdt met de sterrenhoop Pleiaden, bekend als de Zeven Zusters. De mythe van de Pleiaden beschrijft de zeven dochters van de reus Atlas en de nimf Pleione. Volgens de legende trouwde een van hun dochters met een mens en dook hij onder, wat een zeer onwetenschappelijke, maar mooie verklaring oplevert waarom we alleen maar zien… Zes sterren in de Pleiaden.

Deze ontdekking houdt verband met het fenomeen van het verdwijnen van sterren, dat de afgelopen jaren de belangstelling van astronomen heeft gewekt, en kan een duidelijk voorbeeld en een redelijke wetenschappelijke verklaring bieden voor dit soort verschijnselen.

“Als je zou staan ​​staren naar een zichtbare ster die volledig instort, zou het na verloop van tijd kunnen lijken op het kijken naar een ster die plotseling uitdooft en uit de lucht verdwijnt geen supernova Helder aan de nachtelijke hemel Astronomen hebben onlangs al de plotselinge verdwijning van heldere sterren opgemerkt. “We kunnen niet zeker zijn van een verband, maar de resultaten die we hebben verkregen uit de analyse van VFTS 243 hebben ons veel dichter bij een betrouwbare verklaring gebracht.” zegt Alejandro Vigna-Gómez.

Een blik vanuit de Webb-ruimtetelescoop van de Tarantulanevel, waar VTFS 243 zich bevindt. Beeldcredits: NASA, ESA, CSA en STScI

Een ongewoon sterrenstelsel zonder tekenen van explosie

De ontdekking werd ingegeven door de recente waarneming van een ongewoon dubbelstersysteem aan de rand van ons sterrenstelsel, VFTS 243 genaamd. Hier draaien een massieve ster en een zwart gat, ongeveer tien keer groter dan onze zon, om elkaar heen.

Wetenschappers weten dat dergelijke dubbelstersystemen in het universum bestaan Melkweg Tientallen jaren lang veranderde een ster in een zwart gat. Maar de recente ontdekking van VFTS 243, voorbij de Melkweg in de Grote Magelhaanse Wolk, is werkelijk bijzonder.

Feiten: zwarte gaten

Zelfs licht kan niet ontsnappen uit zwarte gaten. Als zodanig kunnen ze niet rechtstreeks worden waargenomen. Sommige zwarte gaten zijn echter herkenbaar aan de grote hoeveelheden energie die vrijkomen door de gassen die eromheen cirkelen. Anderen, zoals in het geval van VFTS 243, kunnen worden waargenomen aan de hand van hun invloed op de sterren waar ze omheen draaien.

Over het algemeen geloven astronomen dat er drie soorten zwarte gaten zijn:

Stellaire zwarte gaten – zoals die in VFTS 243 – ontstaan ​​wanneer sterren met een massa van meer dan acht keer de massa van de zon instorten. Wetenschappers denken dat er alleen al in onze Melkweg maar liefst 100 miljoen van hen kunnen zijn.

Er wordt aangenomen dat superzware zwarte gaten – 100.000 tot 10 miljard keer de massa van de zon – in het centrum van bijna alle sterrenstelsels voorkomen. Boogschutter A* is het superzware zwarte gat in het centrum van ons sterrenstelsel, de Melkweg.

Zwarte gaten met een gemiddelde massa (IMBH) – 100 tot 100.000 maal de massa van onze zon – zijn lange tijd de ontbrekende schakel geweest. De afgelopen jaren zijn er een aantal geloofwaardige kandidaten naar voren gekomen.

Er zijn ook theorieën die andere soorten zwarte gaten beschrijven, die nog niet zijn ontdekt. Eén van deze gaten, de zogenaamde oorspronkelijke zwarte gaten, zou zich aan het begin van het heelal hebben gevormd en zou theoretisch microscopisch klein kunnen zijn.

“Normaal gesproken kunnen supernova-gebeurtenissen in stellaire systemen op verschillende manieren worden gemeten nadat ze hebben plaatsgevonden. Maar ondanks het feit dat VFTS 243 een ster bevat die in een zwart gat is ingestort, zijn er nergens sporen van een explosie gevonden systeem.” “De baan van het systeem is nauwelijks veranderd sinds de ster instortte tot een zwart gat”, zegt Alejandro Vigna-Gomez.

De onderzoekers analyseerden observatiegegevens voor een reeks tekenen die konden worden verwacht van een sterrenstelsel dat in het verleden een supernova-explosie heeft meegemaakt. Over het algemeen vinden ze het bewijs van een dergelijke gebeurtenis eenvoudig en niet overtuigend.

Het systeem vertoont geen tekenen van een significante ‘geboortekick’, dat wil zeggen de versnelling van orbitale objecten. Hij is ook erg symmetrisch, bijna perfect cirkelvormig in zijn baan, en de resterende tekenen van het vrijkomen van energie tijdens het instorten van de kern van de vorige ster duiden op een soort energie die consistent is met een volledige ineenstorting.

“Onze analyse wijst ondubbelzinnig op het feit dat het zwarte gat in VFTS 243 waarschijnlijk onmiddellijk is ontstaan, waarbij energie voornamelijk verloren is gegaan door neutrino’s”, zegt professor Irene Tambora van het Niels Bohr Instituut, die ook bij het onderzoek betrokken was.

Een referentiesysteem voor toekomstige studies

Volgens professor Tambora opent VFTS 243 de mogelijkheid om een ​​reeks astrofysische theorieën en modelberekeningen te vergelijken met feitelijke waarnemingen. Ze verwacht dat het sterrenstelsel belangrijk zal zijn voor het bestuderen van de evolutie en ineenstorting van sterren.

“Onze resultaten benadrukken VFTS 243 als het best waarneembare geval tot nu toe van de theorie van stellaire zwarte gaten gevormd door volledige ineenstorting, waarbij de supernova-explosie die onze modellen hebben aangetoond mogelijk mislukt, een belangrijke test voor deze modellen in de echte wereld is. zegt de professor. “We verwachten zeker dat dit “het systeem dient als een kritische maatstaf voor toekomstig onderzoek naar de evolutie en ineenstorting van sterren.”

Aanvullende informatie: Ontbrekende “geboortekick” en andere (ontbrekende) tekenen van een supernova

De ‘geboorteschop’ is er niet

De gewelddadige krachten van de supernova hebben rechtstreeks invloed op de pasgeboren neutronensterren of de achtergebleven zwarte gaten, als gevolg van de asymmetrische emissie van materie tijdens de explosie. Dit is wat onderzoekers de ‘geboortekick’ noemen. Deze trap zorgt ervoor dat het samengedrukte lichaam versnelt. De kick van de geboorte geeft neutronensterren doorgaans een meetbare snelheid van tussen de 100 en 1.000 kilometer per seconde. De verwachting is dat de snelheid voor zwarte gaten lager zal zijn, maar deze is nog steeds aanzienlijk.

Omdat het zwarte gat in VFTS 243 lijkt te zijn versneld tot ongeveer 4 km/s, vertoont het geen tekenen dat het een grote geboortekick heeft gekregen, zoals te verwachten was als het een supernova had ondergaan.

Op dezelfde manier vertoont de symmetrie van de baan van een sterrenstelsel gewoonlijk tekenen dat het de impact heeft gevoeld van een gewelddadige supernova-explosie, als gevolg van de uitstoting van materie die daarbij optreedt. In plaats daarvan vonden de onderzoekers symmetrie.

“De baan van de VFTS is bijna cirkelvormig en onze analyse geeft aan dat er geen tekenen zijn van significante asymmetrie tijdens de ineenstorting. Dit geeft opnieuw aan dat er geen explosie heeft plaatsgevonden”, zegt Alejandro Vigna Gomez.

Energie explosie

Door de baan van het dubbelstersysteem te analyseren, kon het team ook de hoeveelheid massa en energie berekenen die vrijkwam tijdens de vorming van het zwarte gat.

Hun schattingen passen in een scenario waarin de kleinere schok die plaatsvond tijdens de ineenstorting van de ster niet werd veroorzaakt door baryonische materie, waartoe neutronen en protonen behoren, maar door zogenaamde neutrino’s. Neutrino’s hebben zeer weinig massa en werken zeer zwak samen. Dit is opnieuw een indicatie dat het systeem niet is ontploft.

Referentie: “Beperkingen op geboorte-neutrino-trappen van het binaire zwarte gat VFTS 243” door Alejandro Vigna-Gomez, Reinhold Wilcox, Irene Tambora, Ilya Mandel, Matteo Renzo, Tom Waag, Hans-Thomas Janka, Daniel Kress, Julia Bodensteiner, Tomer Shenar en Thomas M.. Torres, 9 mei 2024, Fysieke beoordelingsbrieven.
doi: 10.1103/PhysRevLett.132.191403

De volgende onderzoekers hebben bijgedragen aan het onderzoek:

Alejandro Vigna-Gomez, Irene Tambora, Hans Thomas Janka, Daniel Kress, Reinhold Wilcox, Elia Mandel, Matteo Renzo, Tom Waag, Julia Bodensteiner, Tomer Shenar, Thomas M. Torres

De onderzoekers behoren tot verschillende onderzoeksinstellingen:

• Niels Bohr Instituut, Universiteit van Kopenhagen – International Academy en Dark
• Max Planck Instituut voor Astrofysica, Garching, Duitsland
• Instituut voor Sterrenkunde, Universiteit van Leuven, Leuven, België
• School voor natuurkunde en astronomie, Monash University, Clayton, Australië
• ARC Centre of Excellence voor zwaartekrachtgolfdetectie, Osgraph, Australië
• Centrum voor Computationele Astrofysica, Flatiron Institute, New York, VS
• Steward Observatory, Universiteit van Arizona, Tucson, VS
• Afdeling Astronomie, universiteit van WashingtonSeattle, VS
• Technische Universiteit München, TUM Faculteit Natuurwetenschappen, Afdeling Natuurkunde, Garching, Duitsland
• Europees Zuidelijk Observatorium, Garching, Duitsland
• Faculteit Natuurkunde en Sterrenkunde, Universiteit van Tel Aviv, Tel Aviv, Israël
• Universiteit van Aalborg, Aalborg, Denemarken