Pierwsze w historii symulacje pojedynczych gwiazd w formującej się gromadzie kulistej pokazują potencjalne mechanizmy powstawania czarnych dziur o masach pośrednich.
Badania przeprowadzone przez Michiko Fujii z Uniwersytetu Tokijskiego ujawniły możliwy mechanizm powstawania czarnych dziur o masach pośrednich w gromadach kulistych, skupiskach gwiazd zawierających od dziesiątek tysięcy do milionów ciasno upakowanych gwiazd. Pionierskie symulacje powstawania masywnych gromad gwiazda po gwieździe wykazały, że odpowiednio gęste obłoki molekularne mogą prowadzić do narodzin bardzo masywnych gwiazd, które następnie ewoluują w czarne dziury o masach pośrednich. Wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie Science.
Wcześniejsze obserwacje sugerowały, że niektóre masywne gromady gwiazd (gromady kuliste) zawierają czarną dziurę o masie pośredniej (IMBH) – wyjaśnił Fujii. IMBH to czarna dziura o masie 100-10 000 mas Słońca. Do tej pory nie było mocnych teoretycznych dowodów na istnienie IMBH o masie 1000-10 000 mas Słońca w porównaniu do mniej masywnych (gwiazdowych) i bardziej masywnych (supermasywnych) czarnych dziur.
Gwiezdne żłobki mogą kojarzyć się z ciepłem i spokojem. Inaczej jest w przypadku gwiazd. Gromady kuliste powstają w chaosie. Różnice w gęstości powodują, że gwiazdy zderzają się i łączą. W miarę jak gwiazdy łączą się i rosną, siły grawitacyjne rosną wraz z nimi. Powtarzające się zderzenia gwiazd w gęstym, centralnym regionie gromady kulistej nazywane są zderzeniami niekontrolowanymi. Mogą one prowadzić do narodzin bardzo masywnych gwiazd o masie przekraczającej 1000 mas Słońca. Gwiazdy te mogą potencjalnie przekształcić się w IMBH. Jednak wcześniejsze symulacje już uformowanych gromad sugerowały, że wiatry gwiazdowe zdmuchują większość ich masy, pozostawiając je zbyt małe. Aby zbadać, czy IMBH mogą „przetrwać”, naukowcy musieli przeprowadzić symulację gromady w trakcie jej formowania.
Symulacje powstawania gromad gwiazd stanowiły wyzwanie ze względu na koszty symulacji – powiedział Fujii. Po raz pierwszy z powodzeniem przeprowadziliśmy symulacje numeryczne formowania się gromady kulistej, modelując pojedyncze gwiazdy. Wyodrębniając poszczególne gwiazdy o realistycznej masie dla każdej z nich, mogliśmy zrekonstruować zderzenia gwiazd w ciasno upakowanym środowisku. Na potrzeby tych symulacji opracowaliśmy nowatorski kod symulacji, w którym mogliśmy zintegrować miliony gwiazd z dużą dokładnością.
W symulacji, niekontrolowane zderzenia rzeczywiście doprowadziły do powstania bardzo masywnych gwiazd, które przekształciły się w czarne dziury o masach pośrednich. Naukowcy odkryli również, że stosunek masy między gromadą a IMBH odpowiadał obserwacjom, które pierwotnie motywowały projekt.
Naszym ostatecznym celem jest symulowanie całych galaktyk poprzez rozdzielanie pojedynczych gwiazd – powiedział Fujii, wskazując na przyszłe badania. Nadal trudno jest symulować galaktyki wielkości Drogi Mlecznej poprzez rozdzielenie pojedynczych gwiazd przy użyciu obecnie dostępnych superkomputerów. Możliwe byłoby jednak symulowanie mniejszych galaktyk, takich jak galaktyki karłowate. Chcemy również skupić się na pierwszych gromadach, czyli gromadach gwiazd powstałych we wczesnym Wszechświecie. Pierwsze gromady są również miejscami, w których mogą rodzić się IMBH.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
Uniwersytet Tokijski
