Ile masy potrzeba na czarną dziurę?

Przy pomocy ESO Very Large Telescope europejscy astronomowie po raz pierwszy pokazali, że magnetar – nietypowy rodzaj gwiazdy neutronowej – uformował się z masą co najmniej 40 razy większą niż masa Słońca. Wynik ten jest wielkim wyzwaniem dla obecnych teorii ewolucji gwiazd, ponieważ gwiazda o tak dużej masie powinna według nich stać się czarną dziurą, a nie magnetarem. Rodzi to fundamentalne pytanie: jak masywna musi być gwiazda, aby stać się czarną dziurą?

Aby dojść do takich wniosków astronomowie musieli szczegółowo zbadać niezwykłą gromadę gwiazd Westerlund 1, położoną w odległości 16 000 lat świetlnych w południowej konstelacji Ołtarza. Z poprzednich badań wiedziano, że Westerlund 1 to najbliższa gromada supergwiazd, zawierająca setki bardzo masywnych gwiazd, z których niektóre świecą blaskiem prawie miliona słońc i mają średnice około dwa tysiące razy większe niż średnica Słońca (porównywalne z rozmiarem orbity Saturna).

- Gdyby Słońce znajdowało się w centrum tej nadzwyczajnej gromady, nasze nocne niebo byłoby pełne setek gwiazd tak jasnych jak Księżyc w pełni - mówi Ben Ritchie, główny autor publikacji opisującej wyniki badań.

Westerlund 1 to fantastyczne gwiezdne zoo, z różnorodnością egzotycznej populacji gwiazd. Gwiazdy w tej gromadzie mają wspólną jedną cechę: wszystkie są w tym samym wieku, szacowanym na od 3,5 do 5 milionów lat, ponieważ gromada uformowała się w jednym procesie gwiazdotwórczym.

Magnetar jest typem gwiazdy neutronowej o niesamowicie silnym polu magnetycznym – biliard razy silniejszym niż ziemskie. Formuje się gdy odpowiednia gwiazda wybucha jako supernowa. Gromada Westerlund 1 jest domem jednego z zaledwie kilku magnetarów znanych w Drodze Mlecznej. Dzięki temu, że magnetar jest członkiem gromady gwiazd, astronomowie mogli wywnioskować, że uformował się z gwiazdy o masie co najmniej 40 mas Słońca.

Ponieważ wszystkie gwiazdy w Wersterlund 1 mają ten sam wiek, gwiazda, która wybuchła i pozostawiła po sobie magnetara, musiała mieć krótsze życie niż nadal istniejące gwiazdy gromady. - Ponieważ okres życia gwiazdy jest bezpośrednio związany z jej masą – im masywniejsza gwiazda, tym krótsze jej życie – jeśli możemy zmierzyć masę jakiejkolwiek gwiazdy, która nadal istnieje, wiemy na pewno, że krócej żyjąca gwiazda, która stała się magnetarem, musiała być bardziej masywna - mówi współautor, kierujący zespołem badaczy Simon Clark. - Ma to olbrzymie znaczenie, gdyż nie ma zaakceptowanej teorii w jaki sposób tak ekstremalnie magnetyczne obiekty są formowane.

Astronomowie zbadali zatem gwiazdy, które należą do podwójnego układu zaćmieniowego W13 w Westerlund 1, korzystając z faktu, że w takim układzie masy mogą być bezpośrednio wyznaczone z ruchów gwiazd.

Poprzez porównanie z tymi gwiazdami, odkryli, że gwiazda, która stała się magnetarem, musiała mieć co najmniej 40 mas Słońca. Dowodzi to po raz pierwszy, że magnetary mogą ewoluować z gwiazd tak masywnych, od których normalnie oczekujemy uformowania czarnej dziury. Poprzednie założenie było takie, że gwiazdy o początkowej masie pomiędzy 10, a 25 masami Słońca wytworzą gwiazdę neutronową, a te powyżej 25 mas Słońca pozostawią po sobie czarną dziurę.

- Gwiazdy te muszą pozbyć się ponad dziewięć dziesiątych swojej masy przed eksplodowaniem jako supernowa, albo inaczej wytworzą czarną dziurę - mówi współautor Ignacio Negueruela. - Tak wielka utrata masy przed wybuchem stanowi wielkie wyzwanie dla aktualnych teorii ewolucji gwiazd.

- Rodzi się więc trudne pytanie jak masywna musi być gwiazda, aby skolapsować do czarnej dziury, jeśli gwiazdy ponad 40 razy masywniejsze niż Słońce nie potrafią dokonać tego wyczynu - konkluduje współautor Norbert Langer.

Mechanizm formacji preferowany przez astronomów postuluje, że gwiazda, która stała się magnetarem – progenitor – narodziła się razem z gwiazdowym towarzyszem. Gdy obie gwiazdy wyewoluowały, rozpoczęły wzajemnie oddziaływać: energia pochodząca z ich ruchu orbitalnego była wydatkowana na wyrzucanie wymaganych olbrzymich ilości masy z progenitora. Obecnie nie widać żadnego towarzysza w pobliżu magnetara, co może być efektem tego, że wybuch supernowej, który uformował magnetara, spowodował rozłączenie układu podwójnego, wyrzucając obie gwiazdy z dużą prędkością z gromady.

- Jeżeli tak było w tym przypadku, sugeruje to, że układy podwójne odgrywają kluczową rolę w ewolucji gwiazd, zwiększając utratę masy – jak ekstremalna ‘kosmiczna dieta’ dla gwiazd wagi ciężkiej, które pozbywają się 95% swojej początkowej masy - wnioskuje Clark.



[1] Gromada otwarta Westerlund 1 została odkryta w 1961 r. w Australii przez szwedzkiego astronoma Bengta Westerlunda, który później został dyrektorem ESO w Chile (1970-74). Gromada ta znajduje się za olbrzymim międzygwiazdowym obłokiem gazu i pyłu, który blokuje większość światła widzialnego. Czynnik osłabienia światła wynosi ponad 100 000, dlatego tak długo trwało odkrycie prawdziwej natury tej szczególnej gromady.

Westerlund 1 jest unikalnym naturalnym laboratorium do badania ekstremalnej fizyki gwiazdowej, pomagając astronom w poznaniu w jaki sposób żyją i umierają masywne gwiazdy w naszej Drodze Mlecznej. Ze swoich obserwacji astronomowie wnioskują, że ta ekstremalna gromada najprawdopodobniej zawiera nie mniej niż 100 000 mas Słońca, a wszystkie jej gwiazdy są położone w obszarze mniejszym niż 6 lat świetlnych. Westerlund 1 wydaje się więc być najbardziej masywną młodą, zwartą gromadą do tej pory zidentyfikowaną w Drodze Mlecznej.

Wszystkie gwiazdy zbadane do tej pory w Westerlund 1 mają masy co najmniej 30-40 razy większe niż Słońce. Ponieważ takie gwiazdy mają raczej krótkie życie – w astronomicznych skalach – Westerlund 1 musi być bardzo młoda. Astronomowie szacują jej wiek na od 3,5 do 5 milionów lat. Westerlund 1 jest więc rzeczywiście "nowonarodzoną" gromadą w naszej galaktyce.

Źródło: ESO