W jądrze naszej Galaktyki kryje się Sagittarius A*. To supermasywna czarna dziura o masie 4 mln razy większej od masy Słońca. Ten gigant silnie zakrzywia otaczającą go czasoprzestrzeń. Sprawia to, że gwiazdy znajdujące się w pobliżu przemierzają kosmos z ogromnymi prędkościami. 

Ten rejon Drogi Mlecznej można porównać do gigantycznego ronda. I to takiego, na którym cały czas panują godziny szczytu. Wszyscy się spieszą, a ruch jest olbrzymi. Nic dziwnego, że bez przerwy dochodzi do kolizji. Niekiedy są to zderzenia centralne. Innym razem wirujące wokół czarnej dziury gwiazdy muskają się jedynie „zderzakami”. Jednak nawet takie spotkania są dla nich brzemienne w skutkach. 

Naukowcy z Northwestern University po raz pierwszy zasymulowali ruch na „rondzie” w centrum Drogi Mlecznej. To pozwoliło im wyjaśnić jedną z zagadek tego rejonu kosmosu. Dlaczego wiele tamtejszych gwiazd wygląda zaskakująco młodo?

Godziny szczytu w metrze nowojorskim

– Obszar wokół centralnej czarnej dziury jest gęsty od gwiazd poruszających się z niezwykle dużymi prędkościami – mówi astronomka Sanaea Rose, kierująca badaniami. – To trochę jak bieganie po niesamowicie zatłoczonej stacji metra w Nowym Jorku. Jeśli nie zderzasz się z innymi ludźmi, to mijasz ich bardzo blisko. W przypadku gwiazd takie bliskie spotkania przekładają się na ich oddziaływanie grawitacyjne. Chcieliśmy zbadać, co te zderzenia i interakcje oznaczają dla populacji gwiazd i scharakteryzować ich skutki – wyjaśnia badaczka.

Naukowcy skupili się wpierw na sąsiedztwie Saggitariusa A*. – Najbliższa Słońcu gwiazda znajduje się w odległości około czterech lat świetlnych – mówi Rose. W takiej samej odległości od supermasywnej czarnej dziury znajduje się aż milion gwiazd. A ponieważ Sagittarius A* przyciąga je z ogromną siłą, mogą one poruszać się z prędkościami sięgającymi nawet tysięcy kilometrów na sekundę.

Zderzenia i rosnąca masa gwiazd

W takim gęstym otoczeniu gwiazdy mogą zderzać się ze sobą. Czym bliżej czarnej dziury, tym prawdopodobieństwo takich zdarzeń rośnie. Rose wraz z zespołem zasymulowała ruch 1000 gwiazd okrążających czarną dziurę. By sprawdzić, jakie będą efekty ich zderzeń, naukowcy uwzględnili masę gwiazd, ich prędkość, działającą na nie siłę grawitacji oraz odległość od Sagittariusa A*.

Ten ostatni czynnik okazał się kluczowy. W odległości 0,1 parseka (czyli 0,3 roku świetlnego) od czarnej dziury gwiazdy bezustannie na siebie wpadają. Często nie jest to centralna kolizja, tylko coś w stylu „brutalnego przybicia piątki”, jak to nazywa Sanaea Rose. Gwiazdy nie rozpadają się, a jedynie tracą swoje zewnętrzne warstwy i część masy. Tak ogołocone, nadal przemierzają kosmiczną przestrzeń.

W odległościach większych niż 0,1 parseka od Sagittariusa A* sytuacja nieco się zmienia. Gwiazdy poruszają się tam wolniej, z prędkościami rzędu setek kilometrów na sekundę. Gdy dochodzi do zderzenia, „uczestnicy kolizji” mogą mieć niewystarczającą szybkość, by uciec. Łączą się więc w bardziej masywne obiekty. Niekiedy ten proces może zajść nawet kilka razy. W jego rezultacie powstają gwiazdy dziesięć razy bardziej masywne niż Słońce.

Jak powstają gwiazdy-zombie?

– Niekiedy gwiazdy wygrywają na tej loterii kolizyjnej – opowiada Rose. – Na skutek zderzeń i łączenia się przybywa im wodoru. I chociaż pochodzą ze starej populacji, zaczynają udawać odmłodzone, „nastoletnie” gwiazdy. W rzeczywistości zaś to gwiazdy-zombie, które pożarły swoich sąsiadów.

Co ciekawe, zupełnie jak w bajkach, to odmłodzenie się pociąga za sobą również pewne koszty. Gwiazdy-zombie nie istnieją długo i prędko umierają. – Masywne gwiazdy przypominają gigantyczne, pochłaniające gaz samochody – Sanaea Rose proponuje jeszcze jedną metaforę. – Zaczynają od dużej ilości wodoru, ale spalają go bardzo, bardzo szybko. 

Symulacje to doskonały sposób, by wyjaśnić, co dzieje się w pobliżu Sagittariusa A*. Tamten region trudno jest obserwować, ponieważ jest tam bardzo gęsto. – Jednak jeśli zdołamy się dowiedzieć czegoś więcej o tamtejszych populacjach gwiazd, możemy również dokładniej poznać historię powstawania jądra Galaktyki – mówi Rose.

Jej badania zostały dzisiaj zaprezentowane na dzisiejszej konferencji American Physical Society’s w Sacrameto. Artykuł opisujący symulacje zderzeń gwiazd w centrum Drogi Mlecznej został przyjęty do publikacji w czasopiśmie „The Astrophysical Journal Letters”. Na razie jest dostępny na serwisie preprintów naukowych arXiv.org.

Źródła: EurekAlert, arXiv.org