En ny studie i Physical Review Letters utforskar villkoren för bildandet av svarta hål från döende stjärnor, särskilt rollen av neutrino-inducerade natal kickar i bildningsprocessen.
Svarta hål är några av de mest mystiska föremålen i universum, med gravitationskrafter så starka att inte ens ljus kan undkomma dem. Från och med nu, med de bevis vi har, är svarta hål stjärnlik, vilket betyder att de föds när stjärnor dör.
Men de exakta mekanismerna för deras bildande är fortfarande ett mysterium. Den nya studien tar upp några av dessa mysterier genom att studera processer som utstötning av stjärnmassor och neutrinemission, som spelar en avgörande roll i bildandet av svarta hål.
Phys.org talade med första författaren Dr. Alejandro Vigna-Gómez, en postdoktor vid Max Planck Institute for Astrophysics i Tyskland.
På frågan om hans motivation att studera bildning av svarta hål, sa han:"Under det senaste decenniet har mitt arbete kretsat kring skärningspunkten mellan binärstjärnans och supernovafysiken."
"Mitt intresse har vuxit i kölvattnet av de senaste genombrotten inom astronomi med svarta hål. Under de senaste åren har jag insett att tunga svarta hål kan ge betydande insikter i processerna för stjärnkollaps som resulterar i deras skapelse."
När en stjärna som är större än vår sol når slutet av sitt liv, leder det till en extremt ljus och våldsam explosion som kallas en supernovaexplosion. Dessa explosioner är så ljusa att de kortvarigt kan överglänsa ljusstyrkan i en hel galax och frigöra ett stort antal neutriner för att lämna efter sig en neutronstjärna.
Stjärnmassan som kastas ut under explosionen har en hastighet på tusentals kilometer per sekund men är inte alltid jämnt fördelad. Denna asymmetri leder till storskaliga asymmetrier i resterna av explosionen, som har observerats för neutronstjärnor.
Denna asymmetriska utstötta massa orsakar en rekyl till neutronstjärnan som kallas en natal kick, vilket får den att röra sig med höga hastigheter genom en galax. Natalsparkar har tidigare setts för neutronstjärnor men inte för svarta hål.
Svarta hål bildas när, istället för en explosion, en döende stjärna kollapsar i sig själv. Så vi kommer till frågan som ställts av forskarna:Kan födelsesparkar också spela en roll i bildandet av svarta hål?
"Under de senaste åren har flera svarthålsbinärer upptäckts inom vår galax och dess omgivningar. De detekteras vanligtvis via röntgenstrålning, men endast ett fåtal har upptäckts via enkelradsspektroskopi [en annan metod] som röntgen- stråletysta binärer," sa Dr. Vigna-Gómez.
Dessa binära system avger inga betydande mängder röntgenstrålar, vilket kan vara indikativt på utvecklingsstadierna för stjärnorna i det binära systemet.
Forskarna valde galaxen VFTS 243 för sin studie eftersom den rymmer ett av de mest massiva svarta hålen bland dessa binärer.
Det binära systemet består av ett svart hål och en massiv stjärna. Forskarna ville studera de förhållanden under vilka det svarta hålet bildades som den förlorade stjärnmassan och de förlossningssparkar som är förknippade med dess bildande.
Forskarna byggde på nya observationer av försvinnande stjärnor, som är stjärnor som dog och blev svarta hål utan en explosion. Dessutom är dessa svarta håls binärer med stjärnmassa (detta är den officiella termen) inerta, vilket betyder att det finns liten interaktion mellan stjärnan och det svarta hålet efter att det svarta hålet har bildats.
Forskarna använde ett semianalytiskt tillvägagångssätt för att beräkna sannolikheten för att en förlossningsspark under bildandet av det svarta hålet skulle leda till den observerade konfigurationen av systemet.
För att analysera bildningen av systemet använde forskarna olika begränsningar som omloppsperiod, excentricitet och systemisk radiell hastighet. De utförde dessutom uppskattningar för långsiktiga neutrinosymmetrier under bildandet av det svarta hålet (förutsatt att det hände på grund av en fullständig kollaps och inte en explosion).
Dr. Vigna-Gómez sammanfattade fynden och sa:"Vi finner att det svarta hålet i VFTS 243 bildades utan en explosion och hade en låg neutrino-natal kick, om någon. Detta tyder på att neutriner emitterades nästan lika i alla riktningar när den massiva stamfader kollapsade i ett svart hål."
För VFTS 243 begränsade forskarna den natala kickhastigheten till att vara mindre än eller lika med cirka 10 kilometer per sekund. De fann att det mest sannolika scenariot är att cirka 0,3 solmassor kastades ut, förmodligen i neutriner, och det svarta hålet upplevde en födelsekick på cirka 4 kilometer per sekund.
Dessa fynd har konsekvenser för bildandet av andra svarta hål, vilket tyder på att vissa kan bildas genom fullständig kollaps, utan explosion.
Vidare är långtidsutsläpp av neutrino företrädesvis sfäriskt symmetrisk (lika i alla riktningar), vilket förklarar avsaknaden av en stark natal kick till det binära systemet.
Dr. Vigna-Gómez tillade, "Det verkar som om den teoretiska intuitionen vi har byggt på svarta hål som har minskat födelsesparkar med avseende på neutronstjärnor var rätt."
"Denna analys visar att VFTS 243 kan användas som ett riktmärkessystem för simulering av kärnkollapssupernovor, det vill säga simuleringar av stjärnor som kollapsar till svarta hål som är runt tio solmassor bör vara i linje med de små neutrinosymmetrierna och förlossningssparkarna som vi drog slutsatsen för VFTS 243."
Att bygga ramar för en population av svarta hål skulle vara nästa steg för forskarna i deras försök att förstå utvecklingen av massiva stjärnor.
