Vintergatan har ett saknat pulsarproblem i sin kärna. Astronomer har försökt förklara detta i åratal. En av de mer intressanta idéerna kommer från ett team av astronomer i Europa och åberopar mörk materia, neutronstjärnor och primordiala svarta hål (PBH).
Astronomen Roberto Caiozzo, från International School for Advanced Studies i Trieste, Italien, ledde en grupp som undersökte problemet med saknad pulsar. "Vi observerar inga pulsarer av något slag i denna inre region (förutom magnetaren PSR J1745-2900)," skrev han i ett mejl.
"Detta troddes bero på tekniska begränsningar, men observationen av magnetaren verkar tyda på något annat." Den magneten kretsar kring Skytten A*, det svarta hålet i Vintergatans kärna.
Teamet undersökte andra möjliga orsaker till varför pulsarer inte förekommer i kärnan och tittade noga på magnetarbildning samt störningar av neutronstjärnor. En spännande idé som de undersökte var kannibaliseringen av ursprungliga svarta hål av neutronstjärnor.
Teamet utforskade problemet med saknad pulsar genom att ställa frågan:kan neutronstjärnans ursvarta håls kannibalism förklara bristen på upptäckta millisekundspulsarer i Vintergatans kärna? Låt oss titta på huvudaktörerna i detta mysterium för att förstå om detta kan hända.
Teorin tyder på att ursprungliga svarta hål skapades under de första sekunderna efter Big Bang. "PBHs är inte kända för att existera," påpekar Caiozzo, "men de verkar förklara några viktiga astrofysiska fenomen." Han pekade på tanken att supermassiva svarta hål verkade existera vid mycket tidiga tillfällen i universum och föreslog att de kunde ha varit frön till dessa monster.
Om det finns PHB där ute kan det kommande Nancy Grace Roman Telescope hjälpa till att hitta dem. Astronomer förutspår att de kan existera i en mängd massor, allt från massan av en stift till omkring 100 000 massan av solen. Det kan finnas ett mellanområde av dem i mitten, de så kallade "asteroidmassa"-PBH:erna. Astronomer föreslår dessa sista som kandidater för mörk materia.
Mörk materia utgör cirka 27% av universum, men utöver att antyda att PBH kan vara en del av innehållet av mörk materia, vet astronomerna fortfarande inte exakt vad det är. Det verkar finnas en stor mängd av det i kärnan av vår galax. Det har dock inte observerats direkt, så dess närvaro antas. Är det bundet i dessa mellanregister PBHs? Ingen vet.
Den tredje spelaren i detta saknade pulsarmysterium är neutronstjärnor. De är enorma, darrande bollar av neutroner som blivit över efter döden av en superjättestjärna med mellan 10 och 25 solmassor. Neutronstjärnor börjar mycket varma (i intervallet 10 miljoner K) och svalnar med tiden.
De börjar snurra väldigt snabbt och de genererar magnetiska fält. Vissa sänder ut strålar av strålning (vanligtvis i radiofrekvenser) och när de snurrar framträder dessa strålar som "pulser" av emission. Det gav dem smeknamnet "pulsar". Neutronstjärnor med extremt kraftfulla magnetfält kallas "magnetarer."
Astronomer har letat i Vintergatans kärna efter pulsarer utan större framgång. Undersökning efter undersökning upptäckte inga radiopulsarer inom de inre 25 parsecerna av galaxens kärna. Varför är det så? Caizzo och hans medförfattare föreslog i sin tidning, publicerad på arXiv preprint-server, att magnetbildning och andra störningar av neutronstjärnor som påverkar pulsarbildningen inte exakt förklarar frånvaron av dessa objekt i den galaktiska kärnan.
"Effektiv magnetarbildning kan förklara detta (på grund av deras kortare livslängd)," sa han, "Men det finns ingen teoretisk anledning att förvänta sig detta. En annan möjlighet är att pulsarerna på något sätt störs på andra sätt."
Vanligtvis sker störningar i binära stjärnsystem där en stjärna är mer massiv än den andra och den exploderar som en supernova. Den andra stjärnan kan explodera eller inte. Något kan kasta ut det ur systemet helt och hållet. Den överlevande neutronstjärnan blir en "avbruten" pulsar. De är inte lika lätta att observera, vilket kan förklara bristen på radiodetektering.
Om följeslagaren inte sparkas ut och senare sväller upp, sugs dess materia bort av neutronstjärnan. Det snurrar upp neutronstjärnan och påverkar magnetfältet. Om den andra stjärnan finns kvar i systemet exploderar den senare och blir en neutronstjärna. Resultatet är en binär neutronstjärna. Denna störning kan hjälpa till att förklara varför den galaktiska kärnan verkar sakna pulsarer.
Caizzos team bestämde sig för att använda tvådimensionella modeller av millisekundspulsarer – det vill säga pulsarer som snurrar extremt snabbt – som ett sätt att undersöka möjligheten att fånga ursvarta hål i den galaktiska kärnan.
Processen fungerar så här:en millisekundspulsar interagerar på något sätt med ett ursvart hål som har mindre än en stjärnmassa. Så småningom fångar neutronstjärnan (som har en tillräckligt stark gravitationskraft för att attrahera PBH) det svarta hålet. När det väl händer sjunker PBH till neutronstjärnans kärna. Inne i kärnan börjar det svarta hålet ansamlas materia från neutronstjärnan.
Så småningom är allt som återstår ett svart hål med ungefär samma massa som den ursprungliga neutronstjärnan. Om detta inträffar kan det hjälpa till att förklara bristen på pulsarer i Vintergatans inre parsecs.
Kan detta hända? Teamet undersökte möjliga hastigheter för infångning av PBHs av neutronstjärnor. De beräknade också sannolikheten för att en given neutronstjärna skulle kollapsa och bedömde störningshastigheten för pulsarer i den galaktiska kärnan. Om inte alla störda pulsarer är eller var en del av binära system, så lämnar det neutronstjärnefångst av PBHs som ett annat sätt att förklara bristen på pulsarer i kärnan. Men händer det i verkligheten?
Det visar sig att sådan kannibalism inte kan förklara det saknade pulsarproblemet, enligt Caizzo. "Vi fann att i vår nuvarande modell kan PBH:er inte störa dessa objekt, men detta är bara med tanke på vår förenklade modell av 2 kroppsinteraktioner," sa han. Det utesluter inte förekomsten av PHB, bara att i specifika fall inte sådan fångst sker.
Så vad återstår att undersöka? Om det finns PHB i kärnorna och de smälter samman, har ingen sett dem ännu. Men mitten av galaxen är en livlig plats. Många kroppar trängs de centrala parsecerna. Du måste beräkna effekterna av alla dessa objekt som interagerar på ett så litet utrymme. Detta problem med "mångakroppsdynamik" måste ta hänsyn till andra interaktioner, såväl som dynamiken och infångningen av PBH.
Astronomer som vill använda sammanslagningar av PBH-neutronstjärnor för att förklara bristen på pulsarobservationer i galaxens kärna kommer att behöva bättre förstå både de föreslagna observationerna och de större populationerna av pulsarer.
Teamet föreslår att framtida observationer av gamla neutronstjärnor nära Sgr A* kan vara mycket användbara. De skulle hjälpa till att sätta starkare gränser för antalet PBH i kärnan. Dessutom skulle det vara användbart att få en uppfattning om massorna av dessa PBH, eftersom de i den nedre änden (asteroid-massatyper) kan interagera väldigt olika.
Mer information: Roberto Caiozzo et al, Revisiting Primordial Black Hole Capture av Neutron Stars, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2404.08057
Journalinformation: arXiv
Tillhandahålls av Universe Today
