Ile masy potrzeba by powstała czarna dziura

Ile masy potrzeba by powstała czarna dziuraOriginal Press Release
Wykorzystując teleskop VLT (Very Large Telescope) Europejskiego Obserwatorium Południowego astronomowie po raz pierwszy wykazali że magnetar, będący niezwykłą odmianą gwiazdy neutronowej, powstał w wyniku śmierci gwiazdy o masie przynajmniej 40 razy większej od masy Słońca.

układy podwójne gwiazd mogą odgrywać kluczową rolę w ewolucji gwiazd będąc mechanizmem napędzającym utratę masy – coś na kształt ekstremalnej kosmicznej diety dla gwiazd z nadwagą, pozwalając im utracić nawet 95 % ich początkowej masy

Simon Clark

Aby dojść do tych zaskakujących wniosków astronomowie dokładnie przyjrzeli się nadzwyczajnej gromadzie gwiazd Westerlund 1 leżącej w odległości około 16 000 lat świetlnych w obrębie konstelaci Ołtarza. Wcześniejsze badania dowiodły, że gromada ta byłą najciaśniejszą ze znanych gromad, zawierającą setki bardzo masywnych gwiazd, niektórych o jasności prawie milion razy większej od Słońca, innych o średnicy dwa tysiące razy większej od Słońca (gdyby gwiazda taka znalazła się w miejscu naszej – wypełniłaby Układ Słoneczny aż do orbity Saturna).

„Gdyby Słońce leżało w sercu tej niezwykłej gromady nasze nocne niebo wypełnione byłoby setkami gwiazd tak jasnych jak Księżyc w pełni „- mówi Ben Ritchie, główny autor artykułu przedstawiającego wyniki badań na łamach Astronomy and Astrophysics.

Westerlund 1 to nadzwyczajne gwiezdne zoo o zróżnicowanej populacji egzotycznych gwiazd, które łączy jedna cecha – wszystkie są w tym samym wieku, szacowanym na 3,5 do 5 milionów lat. Gwiazdy te bowiem powstały razem.

Magnetar to rodzaj gwiazdy neutronowej, którą cechuje niezwykle silne pole magnetyczne – milion miliardów razy silniejsze niż to na Ziemi. Magnetary powstają w wyniku eksplozji supernowych szczególnych gwiazd. Jeden ze znanych magnetarów Drogi Mlecznej znajduje się w gromadzie Westerlund 1. Dzięki temu, że jest on częścią gromady naukowcy mogli ocenić jakiej masy gwiazda zapadła się tworząc ten niezwykły obiekt. Doszli do zaskakującego wyniku – gwiazda ta musiała mieć masę przynajmniej 40 razy większą od masy Słońca.

Ponieważ wszystkie gwiazdy w gromadzie Westerlund 1 mają ten sam wiek, gwiazda która eksplodowała pozostawiając po sobie magnetara musiała żyć krócej, niż inne gwiazdy gromady. „Ponieważ czas życia gwiazdy jest bezpośrednio związany z jej masą – im ta jest większa, tym krótsze życie gwiazdy – jeżeli możemy zmierzyć masy gwiazd, które nie eksplodowały, będziemy mieli pewność, że krótko żyjąca gwiazda, która przekształciła się w magnetara musiała być jeszcze masywniejsza „- wyjaśnia Simon Clark, współautor badań. -” Badania takie mają ogromne znaczenie, bowiem nie ma ogólnie przyjętej teorii jak powstają tak ekstremalnie magnetyczne obiekty.”

W tym celu astronomowie zbadali układ podwójny zaćmieniowy W13 leżący w Westerlund 1 – wiedząc, że w układach takich masę gwiazd można wyznaczyć bezpośrednio na podstawie ruchu gwiazd. Porównując uzyskany wyniki naukowcy doszli do wniosku, że gwiazda, z której powstał magentar, musiała mieć masę przynajmniej 40 razy większą od Słońca. To po raz pierwszy udowodniło, że manetary mogą powstać w wyniku kolapsu gwiazd tak masywnych, że w normalnych warunkach powinny z nich powstać czarne dziury. Do tej pory sądzono bowiem, że gwiazdy neutronowe powstają w wyniku kolapsu gwiazd o masie od 10 do 25 razy większej od masy Słońca, a z gwiazd masywniejszych formują się czarne dziury.

„Gwiazdy te muszą przed eksplozją jako supernowe pozbyć się 90 procent masy. Jeżeli tego nie zrobią, staną się czarnymi dziurami „- mówi Ignacio Negueruela, współautor badań. -” Jenak mechanizm prowadzący do tak ogromnej utraty masy przed eksplozją jest wyzwaniem dla obecnych teorii ewolucji gwiazd.”

„Stawia to również poważne pytanie jak masywna musi być gwiazda by w wyniku jej kolapsu powstała czarna dziura, skoro gwiazda o masie 40 razy większej od Słońca nie potrafi tego dokonać „- dodaje Norbert Langer, kolejny współautor badań.

Naukowcy postulują, że gwiazda, która stała się magnetarem powstała w układzie podwójnym. W miarę wzajemnych oddziaływań energia orbitalna gwiazd została zużyta na wyrzucenie niezbędnej ogromnej ilości materii. Choć obecnie wokół magnetara nie widać towarzysza możliwe że w trakcie eksplozji jako supernowa magnetar odrzucił kompana. „W takim wypadku okazałoby się, że układy podwójne gwiazd mogą odgrywać kluczową rolę w ewolucji gwiazd będąc mechanizmem napędzającym utratę masy – coś na kształt ekstremalnej kosmicznej diety dla gwiazd z nadwagą, pozwalając im utracić nawet 95 % ich początkowej masy „- podsumowuje Clark.

Źródła:

  • B. W. Ritchie et al., “A VLT/FLAMES survey for massive binaries in Westerlund 1: II. Dynamical constraints on magnetar progenitor masses from the eclipsing binary W13”, Astronomy and Astrophysics
  • European Southern Observatory: How Much Mass Makes a Black Hole?
  • Ilustracja: ESO/L. Calçada
How Much Mass Makes a Black Hole?

Using ESO’s Very Large Telescope, European astronomers have for the first time demonstrated that a magnetar — an unusual type of neutron star — was formed from a star with at least 40 times as much mass as the Sun. The result presents great challenges to current theories of how stars evolve, as a star as massive as this was expected to become a black hole, not a magnetar. This now raises a fundamental question: just how massive does a star really have to be to become a black hole?

To reach their conclusions, the astronomers looked in detail at the extraordinary star cluster Westerlund 1 [1], located 16 000 light-years away in the southern constellation of Ara (the Altar). From previous studies (eso0510), the astronomers knew that Westerlund 1 was the closest super star cluster known, containing hundreds of very massive stars, some shining with a brilliance of almost one million suns and some two thousand times the diameter of the Sun (as large as the orbit of Saturn).

“If the Sun were located at the heart of this remarkable cluster, our night sky would be full of hundreds of stars as bright as the full Moon,” says Ben Ritchie, lead author of the paper reporting these results.

Westerlund 1 is a fantastic stellar zoo, with a diverse and exotic population of stars. The stars in the cluster share one thing: they all have the same age, estimated at between 3.5 and 5 million years, as the cluster was formed in a single star-formation event.

A magnetar (eso0831) is a type of neutron star with an incredibly strong magnetic field — a million billion times stronger than that of the Earth, which is formed when certain stars undergo supernova explosions. The Westerlund 1 cluster hosts one of the few magnetars known in the Milky Way. Thanks to its home in the cluster, the astronomers were able to make the remarkable deduction that this magnetar must have formed from a star at least 40 times as massive as the Sun.

As all the stars in Westerlund 1 have the same age, the star that exploded and left a magnetar remnant must have had a shorter life than the surviving stars in the cluster. “Because the lifespan of a star is directly linked to its mass — the heavier a star, the shorter its life — if we can measure the mass of any one surviving star, we know for sure that the shorter-lived star that became the magnetar must have been even more massive,” says co-author and team leader Simon Clark. “This is of great significance since there is no accepted theory for how such extremely magnetic objects are formed.”

The astronomers therefore studied the stars that belong to the eclipsing double system W13 in Westerlund 1 using the fact that, in such a system, masses can be directly determined from the motions of the stars.

By comparison with these stars, they found that the star that became the magnetar must have been at least 40 times the mass of the Sun. This proves for the first time that magnetars can evolve from stars so massive we would normally expect them to form black holes. The previous assumption was that stars with initial masses between about 10 and 25 solar masses would form neutron stars and those above 25 solar masses would produce black holes.

“These stars must get rid of more than nine tenths of their mass before exploding as a supernova, or they would otherwise have created a black hole instead,” says co-author Ignacio Negueruela. “Such huge mass losses before the explosion present great challenges to current theories of stellar evolution.”

“This therefore raises the thorny question of just how massive a star has to be to collapse to form a black hole if stars over 40 times as heavy as our Sun cannot manage this feat,” concludes co-author Norbert Langer.

The formation mechanism preferred by the astronomers postulates that the star that became the magnetar — the progenitor — was born with a stellar companion. As both stars evolved they would begin to interact, with energy derived from their orbital motion expended in ejecting the requisite huge quantities of mass from the progenitor star. While no such companion is currently visible at the site of the magnetar, this could be because the supernova that formed the magnetar caused the binary to break apart, ejecting both stars at high velocity from the cluster.

“If this is the case it suggests that binary systems may play a key role in stellar evolution by driving mass loss — the ultimate cosmic ‘diet plan’ for heavyweight stars, which shifts over 95% of their initial mass,” concludes Clark.

Written by admin

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *