Gemensam forskning under ledning av Michiko Fujii vid University of Tokyo visar en möjlig bildande av svarta hål med medelmassa i klothopar, stjärnhopar som kan innehålla tiotusentals eller till och med miljontals tätt packade stjärnor.
De första simuleringarna av massiva hopbildningar av stjärna för stjärna avslöjade att tillräckligt täta molekylära moln, stjärnhoparnas "födelsebon", kan ge upphov till mycket massiva stjärnor som utvecklas till svarta hål med medelmassa. Resultaten publicerades i tidskriften Science .
"Tidigare observationer har föreslagit att vissa massiva stjärnhopar (klothopar) är värd för ett svart hål med mellanmassa (IMBH)," förklarar Fujii motivet för forskningsprojektet. "En IMBH är ett svart hål med en massa på 100-10000 solmassor. Hittills har det inte funnits några starka teoretiska bevis för att visa existensen av IMBH med 1 000-10 000 solmassor jämfört med mindre massiv (stjärnmassa) och mer massiv (supermassiva) sådana."
Förlossningsbon kan frammana bilder av värme och lugn. Inte så med stjärnor. Globulära stjärnhopar bildas i kaos. Skillnaderna i täthet orsakar först stjärnor att kollidera och smälta samman. När stjärnorna fortsätter att smälta samman och växa, växer gravitationskrafterna med dem.
De upprepade stjärnkollisionerna i den täta, centrala regionen av klothopar kallas för flyktkollisioner. De kan leda till födelsen av mycket massiva stjärnor med mer än 1000 solmassor. Dessa stjärnor kan potentiellt utvecklas till IMBHs. Men tidigare simuleringar av redan bildade kluster antydde att stjärnvindar blåser bort det mesta av deras massa, vilket gör dem för små. För att undersöka om IMBH kunde "överleva" behövde forskare simulera ett kluster medan det fortfarande bildades.
"Simuleringar av stjärnkluster var utmanande på grund av simuleringskostnaden", säger Fujii.
"Vi, för första gången, framgångsrikt utförde numeriska simuleringar av klothopbildning, modellerade individuella stjärnor. Genom att lösa individuella stjärnor med en realistisk massa för var och en, kunde vi rekonstruera kollisioner av stjärnor i en tätt packad miljö. För dessa simuleringar, vi har utvecklat en ny simuleringskod, där vi skulle kunna integrera miljontals stjärnor med hög noggrannhet."
I simuleringen ledde de skenande kollisionerna verkligen till bildandet av mycket massiva stjärnor som utvecklades till svarta hål med medelmassa. Forskarna fann också att massförhållandet mellan klustret och IMBH matchade de observationer som ursprungligen motiverade projektet.
"Vårt slutliga mål är att simulera hela galaxer genom att lösa upp enskilda stjärnor", säger Fujii.
"Det är fortfarande svårt att simulera galaxer i Vintergatans storlek genom att lösa upp enskilda stjärnor med hjälp av superdatorer som finns tillgängliga för närvarande. Det skulle dock vara möjligt att simulera mindre galaxer som dvärggalaxer. Vi vill också rikta in oss på de första hoparna, stjärnhopar som bildas i tidiga universum Första kluster är också platser där IMBH kan födas."
