När materien som utgör stjärnan faller ner i det svarta hålet, den avger röntgenstrålar. Insatsen visar data som samlats in av tre teleskop, med ljusstyrkan hos röntgenstrålar plottad på den vertikala axeln mot våglängden på den horisontella axeln. Kredit:NASA/CXC/U. Michigan/J. Miller et al.; Illustration:NASA/CXC/M. Weiss
Forskare från MIPT, University of Oxford, och den ryska vetenskapsakademin har uppskattat antalet stjärnor som störs av ensamma supermassiva svarta hål i galaktiska centra som bildades via sammanslagningar av galaxer som innehåller supermassiva svarta hål. Astrofysikerna fastställde om gravitationseffekter som härrör från två svarta hål som drar sig närmare varandra kan förklara varför färre stjärnor observeras fångas av svarta hål än vad grundläggande teoretiska modeller förutsäger.
I deras studie publicerad i The Astrophysical Journal , forskarna undersökte samspelet mellan dynamiska mekanismer som påverkar antalet stjärnor i en galax som fångas per tidsenhet (tidvattenavbrottshastigheten). En avancerad teoretisk modell gav resultat som är ännu mer oförenliga med observationer, vilket leder teamet till att anta att störningen av stjärnor i galaktiska kärnor kan inträffa utan vår vetskap.
Störning av stjärnor
Tidvattenstörningar, eller TDE, är den enda tillgängliga informationskällan från inaktiva galaktiska kärnor. Det finns minst ett supermassivt svart hål i mitten av de flesta galaxer. Omgiven av täta centrala stjärnhopar, svarta hål upptar regioner som kallas galaktiska kärnor. Som deras namn antyder, svarta hål avger inget ljus. Dock, när materia faller på det centrala massiva föremålet, den värms upp till extrema temperaturer och kan observeras med ett teleskop. Aktiva galaxer har gasmoln som matar svarta hål, vilket gör dem synliga. Dock, ungefär 90 procent av galaxerna förblir "tysta, " eftersom de inte innehåller några gasmoln och därför spelar det ingen roll för det svarta hålet att konsumera annat än stjärnor som ibland går för nära. När detta händer, stjärnan dras isär av tidvattenkrafter, upplever vad som kallas "spaghettifiering, " och astronomer upptäcker en tidvattenavbrottshändelse (TDE). Hittills, Ett 50-tal flammor av strålning kopplade till TDE har observerats. Man räknar med att den genomsnittliga frekvensen av stjärnstörningar uppgår till en stjärna per 10, 000 till 100, 000 år per galax. Baserat på dessa uppgifter, forskarna försöker utveckla en tillförlitlig modell av vad som händer i inaktiva galaktiska kärnor.
Antag en sfärisk galax i ett vakuum
Den enklaste teoretiska modellen involverar en galax vars kärna är sfärisk till formen och har ett supermassivt svart hål i mitten. Det svarta hålet kretsar kring stjärnor som ändrar riktningen för sin rörelse när de passerar varandra, hur biljardbollar studsar av varandra när de kolliderar på bordet. Dock, medan en biljardboll måste röra sig rakt mot hålet för att falla in i den, en stjärna har fler alternativ:Det räcker för att dess hastighetsvektor är i den så kallade förlustkonen, för att säkerställa att stjärnan så småningom kommer att fångas och störas av det svarta hålets gravitation. Enligt denna mycket enkla modell, i genomsnitt en stjärna per galax bör fångas var 1, 000 till 10, 000 år, dvs. oftare än observerat. Även om modellen kan förbättras genom att ta hänsyn till ett antal andra faktorer (t.ex. skillnaden i stjärnornas massa), detta skulle bara öka de förväntade tidvattenstörningarna ytterligare.
En stjärna vars hastighetsvektor har fallit in i förlustkonen. BH betecknar ett svart hål, och rcapt är infångningsradien. Kredit:Moscow Institute of Physics and Technology
Slingshot-effekten
För närvarande, det finns bara en mekanism som diskuteras i publicerade källor som kan vara ansvarig för det faktum att färre stjärnor fångas än förväntat. Nyfiket, det kräver att de flesta av stjärnorna med låg vinkelmomentum försvinner, så att säga. Men låt oss först undersöka ett analogt fall som involverar gasdiffusion. Anta att det finns gasmolekyler i slumpmässig rörelse inuti ett kärl vars väggar kan absorbera molekylerna. Föreställ dig nu att molekylerna närmast väggarna har tagits bort. Den uppenbara konsekvensen av detta skulle vara färre molekyler som absorberas per tidsenhet, eftersom de återstående molekylerna ännu inte har färdats en viss sträcka innan de kan komma i kontakt med en vägg. Liknande, om stjärnor tas bort från galaxens centrum, stjärnavbrottsfrekvensen kommer att sjunka. Naturligtvis, stjärnorna kan inte bara försvinna i tomma intet; men om galaxen är värd för ett binärt svart hål, sedan kan enskilda stjärnor kastas ut från galaxen med hjälp av en så kallad gravitationsslangskott, en manöver även känd som gravitationshjälp när konstgjorda rymdfarkoster är inblandade.
Lagen om energibevarande innebär att när en stjärna accelereras (d.v.s. får ytterligare kinetisk energi), energin i det binära svarta hålet måste reduceras. Som ett resultat, de två svarta hålen närmar sig varandra och börjar smälta samman. Så småningom, när sammanslagningen nästan är klar, en del av energin strålar utåt i form av gravitationsvågor, vilket framgår av denna senaste sensationella upptäckt.
Under det inledande skedet av sammanslagningen, känd som inspiral, de svarta hålen kretsar kring ett gemensamt masscentrum som gradvis kommer närmare varandra. Sedan inträffar själva sammanslagningen och de flesta av gravitationsvågorna sänds ut. De röda och blå linjerna längst ner på bilden representerar gravitationssignalen som är associerad med en sammanslagning av svarta hål. Efter själva sammanslagningen, det nu enda svarta hålet genomgår svängningar som kallas ringdown. Kredit:LIGO, NSF, Aurore Simonnet (Sonoma State U.)
En icke-sfärisk galax i ett vakuum
Även om en galaxsammanslagning kan åtföljas av en minskning av antalet stjärnavbrott, motsatt effekt har också observerats. Det har att göra med det faktum att vilken galaktisk kärna som helst som är en produkt av en sammanslagning är något ickesfärisk till formen. I en icke-sfärisk kärna, stjärnor är mer grundligt blandade; därav, det finns fler stjärnor vars banor ligger nära det svarta hålet. Detta innebär att fler stjärnor är tillgängliga för att fångas och TDE-hastigheten går upp, trots slangbelleffekten. För att ta reda på hur samspelet mellan dessa två motsatta faktorer påverkar graden av stjärnavbrott, Kirill Lezhnin och Eugene Vasiliev – båda MIPT-utexaminerade – utförde de nödvändiga beräkningarna och undersökte inflytandet som svarta håls massa, kärnstjärnhopens geometri, och initiala villkor har om störningsfrekvenser.
Ännu mer förstörelse
Det visade sig att effekten av avlägsnandet av stjärnor från galaxens centrum med hjälp av gravitationell slangbella var försumbar i alla fall utom för scenariot sfärisk galax-i-vakuum. Det bör noteras, dock, att formen på en galax som bildas i en sammanslagning aldrig är en perfekt sfär. När det gäller resultaten av beräkningar, slutsatsen är att i genomsnitt en stjärna per 10, 000 år per galax borde störas. Och även om denna siffra stämmer väl överens med tidigare teoretiska förutsägelser, det väcker också frågan:Varför är det så att färre TDE observeras än vad teoretiska modeller skulle förvänta oss?
Kirill Lezhnin, en av författarna till studien, förklarar betydelsen av forskningsresultaten:"Vi visade att de observerade låga störningsfrekvenserna inte kan förklaras av slangbelleeffekten. Därför, en annan mekanism måste hittas som ligger utanför området för studier av stjärndynamik. Alternativt de TDE-kurser vi kom fram till kunde faktiskt vara korrekta. Vi måste då hitta en förklaring till varför de inte observeras."
