Trots sina gamla åldrar verkar vissa stjärnor som kretsar kring Vintergatans centrala supermassiva svarta hål bedrägligt ungdomliga. Men till skillnad från människor, som kan verka föryngrade från en ny omgång kollageninjektioner, ser dessa stjärnor unga ut av en mycket mörkare anledning.
De åt sina grannar.
Detta är bara ett av de mer märkliga fynden från ny forskning vid Northwestern University. Med hjälp av en ny modell spårade astrofysiker de våldsamma resorna av 1 000 simulerade stjärnor som kretsar kring vår galaxs centrala supermassiva svarta hål, Sagittarius A* (Sgr A*).
Området är så tätt packat med stjärnor att det ofta upplever brutala stjärnkollisioner. Genom att simulera effekterna av dessa intensiva kollisioner finner det nya arbetet att kollisionsöverlevande kan förlora massa för att bli avskalade, lågmassastjärnor eller kan smälta samman med andra stjärnor för att bli massiva och föryngras till utseendet.
"Regionen runt det centrala svarta hålet är tät med stjärnor som rör sig i extremt höga hastigheter", säger Northwesterns Sanaea C. Rose, som ledde forskningen.
"Det är lite som att springa genom en oerhört fullsatt tunnelbanestation i New York City under rusningstid. Om du inte kolliderar med andra människor, då passerar du väldigt nära dem. För stjärnor gör dessa närakollisioner fortfarande att de interagerar med varandra. gravitationsmässigt ville vi utforska vad dessa kollisioner och interaktioner betyder för stjärnpopulationen och karakterisera deras resultat."
Rose presenterar denna forskning vid American Physical Societys (APS) aprilmöte i Sacramento, Kalifornien. "Stellar Collisions in the Galactic Center" äger rum torsdag (4 april) som en del av sessionen "Particle Astrophysics and the Galactic Center."
Rose är Lindheimer postdoktor vid Northwesterns Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Hon började detta arbete som doktorand. kandidat vid UCLA.
Mitten av vår Vintergatan är en främmande och vild plats. Gravitationskraften hos Sgr A* accelererar stjärnor att svänga runt sina banor i skrämmande hastigheter. Och det stora antalet stjärnor packade i galaxens centrum är uppåt en miljon. Det tätt packade klustret plus de blixtsnabba hastigheterna är lika med ett höghastighets rivningsderby. I det innersta området – inom 0,1 parsec från det svarta hålet – slipper få stjärnor oskadda.
"Den stjärna som ligger närmast vår sol är ungefär fyra ljusår bort", förklarade Rose. "Inom samma avstånd nära det supermassiva svarta hålet finns det mer än en miljon stjärnor. Det är ett otroligt trångt område. Utöver det har det supermassiva svarta hålet en riktigt stark gravitationskraft. När de kretsar runt det svarta hålet kan stjärnorna rör sig i tusentals kilometer per sekund."
Inom denna trånga, hektiska stadsdel kan stjärnor kollidera med andra stjärnor. Och ju närmare stjärnorna bor det supermassiva svarta hålet, ökar sannolikheten för kollision. Nyfiken på resultatet av dessa kollisioner utvecklade Rose och hennes medarbetare en simulering för att spåra stjärnpopulationernas öden i det galaktiska centrumet. Simuleringen tar hänsyn till flera faktorer:stjärnhopens täthet, stjärnornas massa, omloppshastighet, gravitation och avstånd från Sgr A*.
I sin forskning pekade Rose på en faktor som med största sannolikhet avgör en stjärnas öde:dess avstånd från det supermassiva svarta hålet.
Inom 0,01 parsec från det svarta hålet stöter stjärnor – som rör sig med hastigheter som når tusentals kilometer per sekund – ständigt mot varandra. Det är sällan en frontalkrock och mer som en "våldsam high five", som Rose beskriver det. Nedslagen är inte tillräckligt starka för att krossa stjärnorna helt. Istället fäller de sina yttre lager och fortsätter att rusa längs kollisionskursen.
"De slår in i varandra och fortsätter," sa Rose. "De bara betar varandra som om de byter ut en mycket våldsam high five. Detta gör att stjärnorna stöter ut en del material och förlorar sina yttre lager. Beroende på hur snabbt de rör sig och hur mycket de överlappar när de kolliderar, kan de förlora en hel del av deras yttre lager. Dessa destruktiva kollisioner resulterar i en population av konstiga, avskalade, lågmassa stjärnor."
Utanför 0,01 parsecs rör sig stjärnor i en mer avslappnad takt – hundratals kilometer per sekund i motsats till tusentals. På grund av de lägre hastigheterna kolliderar dessa stjärnor med varandra men har sedan inte tillräckligt med energi för att fly. Istället går de samman för att bli mer massiva. I vissa fall kan de till och med smälta samman flera gånger för att bli 10 gånger mer massiva än vår sol.
"Några stjärnor vinner kollisionslotteriet," sa Rose. "Genom kollisioner och sammanslagningar samlar dessa stjärnor in mer väte. Även om de bildades från en äldre befolkning, maskerar de sig som föryngrade, ungt utseende stjärnor. De är som zombiestjärnor; de äter sina grannar."
Men det ungdomliga utseendet kommer på bekostnad av en kortare förväntad livslängd.
"De dör väldigt snabbt," sa Rose. "Massiva stjärnor är ungefär som jättelika, gasslukande bilar. De börjar med mycket väte, men de brinner igenom det väldigt, väldigt snabbt."
Även om Rose finner enkel glädje i att studera den bisarra, extrema regionen nära vårt galaktiska centrum, kan hennes arbete också avslöja information om Vintergatans historia. Och eftersom det centrala klustret är extremt svårt att observera, kan hennes teams simuleringar belysa annars dolda processer.
"Det är en miljö olik alla andra," sa Rose. "Stjärnor, som är under inflytande av ett supermassivt svart hål i en mycket trång region, liknar inte allt vi någonsin kommer att se i vårt eget solområde. Men om vi kan lära oss om dessa stjärnpopulationer, så kanske vi kan lära oss något nytt om hur det galaktiska centret byggdes upp Åtminstone ger det en kontrast för området där vi bor."
Roses APS-presentation kommer att innehålla forskning publicerad av The Astrophysical Journal Letters i mars 2024 och av The Astrophysical Journal i september 2023.
Mer information: Sanaea C. Rose et al, Collisional Shaping of Nuclear Star Cluster Density Profiles, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI:10.3847/2041-8213/ad251f
Sanaea C. Rose et al, Stellar Collisions in the Galactic Center:Massive Stars, Collision Remnants, and Missing Red Giants, The Astrophysical Journal (2023). DOI:10.3847/1538-4357/acee75
Journalinformation: Astrofysisk tidskrift , Astrophysical Journal Letters , arXiv
Tillhandahålls av Northwestern University
