Astronomi prvi put posmatrali nevjerovatnu transformaciju zvijezde u crnu rupu

Kombinujući nedavna posmatranja zvijezde sa više od decenije arhivskih podataka, astronomi su potvrdili i usavršili teorijske modele o tome kako se takve masivne zvijezde pretvaraju u crne rupe. Tim astronoma je otkrio da zvijezda na kraju svog života nije eksplodirala kao supernova; umjesto toga, jezgro zvijezde se urušilo u crnu rupu, polako izbacujući svoje turbulentne spoljašnje slojeve tokom tog procesa, prenosi EurekAlert.

Rijedak uvid u misteriozno poreklo crnih rupa

Rezultati, objavljeni u žurnalu Sajens, već izazivaju uzbuđenje kao rijedak uvid u misteriozno poreklo crnih rupa. Ovo otkriće će pomoći da se objasni zašto se neke masivne zvijezde pretvaraju u crne rupe kada umru, dok druge to ne čine.

„Ovo je samo početak priče“, kaže Kišalaj De, saradnik istraživač na Flatiron institutu Fondacije Simons i vodeći autor nove studije.

Svetlost sa prašnjavih ostataka koji okružuju novorođenu crnu rupu, dodao je on, „biće vidljiva decenijama na nivou osjetljivosti teleskopa kao što je Džejms Veb, jer će nastaviti da bledi veoma polako. I ovo bi na kraju moglo postati mjerilo za razumevanje kako zvezdane crne rupe nastaju u univerzumu.

Nauka i tehnologija

Naučnici našli „Ahilovu petu“ Grenlanda

Sada ugašena zvijezda, nazvana M31-2014-DS1, nalazi se na oko 2,5 miliona svjetlosnih godina od Zemlje u susednoj galaksiji Andromeda. De i njegovi saradnici analizirali su mjerenja zvijezde sa projekta Niovajz agencije NASA i drugih zemaljskih i svemirskih teleskopa u periodu od 2005. do 2023. godine. Otkrili su da je infracrvena svjetlost zvijezde M31-2014-DS1 počela da se pojačava 2014. godine. Zatim se 2016. zvijezda naglo prigušila, spustivši se daleko ispod svog prvobitnog sjaja za jedva godinu dana.

Ni traga od nekada najsjajnije zvijezde u galaksiji Andromeda

Posmatranja u 2022. i 2023. godini pokazala su da je zvijezda praktično nestala u vidljivoj i bliskoj infracrvenoj svjetlosti, postajući deset hiljada puta slabija na ovim talasnim dužinama. Njeni ostaci su sada detektabilni samo u srednjoj infracrvenoj svjetlosti, gdje sijaju tek desetinom ranijeg intenziteta.

„Ova zvijezda je nekada bila jedna od najsjajnijih zvijezda u galaksiji Andromeda, a sada joj nema ni traga. Zamislite da zvijezda Betelgez odjednom nestane. Svi bi poludjeli! Ista stvar se dešavala sa ovom zvijezdom u galaksiji Andromeda“, rekao je De.

Poredeći ova posmatranja sa teorijskim predviđanjima, istraživači su zaključili da dramatično bleđenje zvijezde na tako mali djelić njene prvobitne ukupne svjetlosti pruža snažan dokaz da se njeno jezgro urušilo i postalo crna rupa.

Zdravlje

Masnoća koju ne možete da vidite možda smanjuje vaš mozak

Zvijezde u svojim jezgrima pretvaraju vodonik u helijum, a taj proces stvara spoljašnji pritisak koji uravnotežuje neprestano unutrašnje privlačenje gravitacije. Kada masivna zvijezda, otprilike 10 ili više puta teža od našeg Sunca, počne da ostaje bez goriva, ravnoteža između unutrašnjih i spoljašnjih sila se narušava. Gravitacija počinje da urušava zvijezdu, a njeno jezgro prvo podleže pritisku, formirajući gustu neutronsku zvijezdu u centru.

Ovo je tek početak

Često emisija neutrina u ovom procesu stvara moćan udarni talas koji je dovoljno eksplozivan da raznese veći dio jezgra i spoljašnjih slojeva u supernovi. Međutim, ako udarni talas pokretan neutrinima ne uspije da potisne zvjezdani materijal napolje, teorija već dugo sugeriše da bi se većina zvezdanog materijala umjesto toga srušila nazad u neutronsku zvijezdu, formirajući crnu rupu.

„Već skoro 50 godina znamo da crne rupe postoje. Ipak, tek smo na samom početku razumijevanja toga koje se zvijezde pretvaraju u crne rupe i kako to čine“, rekao je De.

Posmatranja i analiza zvijezde M31-2014-DS1 omogućili su timu da reinterpretira posmatranja slične zvijezde, NGC 6946-BH1. To je dovelo do važnog prodora u razumijevanju onoga što se dogodilo sa spoljašnjim slojevima koji su obavijali zvijezdu nakon što nije postala supernova i urušila se u crnu rupu. Element koji je previđen? Konvekcija.

Konvekcija je nusproizvod ogromnih temperaturnih razlika unutar zvijezde. Materijal blizu centra zvijezde je ekstremno vreo, dok su spoljašnji regioni mnogo hladniji. Ova razlika uzrokuje kretanje gasova unutar zvijezde iz toplijih u hladnije regione.

Šta kada se jezgro zvezde uruši

Kada se jezgro zvijezde uruši, gas u njenim spoljašnjim slojevima se i dalje brzo kreće usljed ove konvekcije. Teorijski modeli koje su razvili astronomi na Flatiron institutu pokazali su da to spriječava većinu spoljašnjih slojeva da padnu direktno unutra; umjesto toga, najdublji slojevi orbitiraju oko crne rupe i podstiču izbacivanje najudaljenijih slojeva konvektivnog regiona.

Izbačeni materijal se hladi kako se udaljava od vrele materije oko crne rupe. Ovaj ohlađeni materijal lako formira prašinu dok se atomi i molekuli spajaju. Prašina zaklanja vreli gas koji kruži oko crne rupe, zagrevajući se i stvarajući uočljivo pojačanje sjaja na infracrvenim talasnim dužinama. Ovaj dugotrajni crveni sjaj vidljiv je decenijama nakon što sama zvijezda nestane.

Koautorka i istraživačica na Flatironu, Andrea Antoni, prethodno je razvila teorijska predviđanja za ove modele konvekcije. Sa upečatljivim dokazima iz posmatranja M31-2014-DS1, ona kaže:

„Stopa akrecije, brzina padanja materijala unutra, mnogo je sporija nego da je zvijezda direktno implodirala. Ovaj konvektivni materijal ima ugaoni moment, pa kruži oko crne rupe. Umjesto da mu mjeseci ili godina budu potrebni da upadne, to traje decenijama. Zbog svega toga, on postaje svjetliji izvor nego što bi inače bio, a mi primjećujemo dugo kašnjenje u gašenju prvobitne zvijezde“.

Nauka i tehnologija

Potpuno nestala najveća grupa sunčevih pjega

Slično vodi koja se vrti oko odvoda u kadi umjesto da teče pravo naniže, gas u pokretu oko ove novonastale crne rupe nastavlja svoju haotičnu orbitu čak i dok se polako uvlači unutra. Na taj način, zaustavljeno upadanje uzrokovano konvekcijom sprječava cijelu zvijezdu da se uruši direktno u novorođenu crnu rupu. Umjesto toga, istraživači sugerišu da čak i nakon što jezgro brzo implodira, dio odlazećeg materijala polako pada nazad tokom mnogo decenija.

Istraživači procenjuju da samo oko jedan odsto gasa prvobitnog zvjezdanog omotača padne u crnu rupu, napajajući svjetlost koja danas iz nje isijava.

Analizirajući posmatranja M31-2014-DS1, De i njegov tim su takođe ponovo procenili sličnu zvijezdu, NGC 6946-BH1, kategorisanu pre 10 godina. U novom radu oni iznose upečatljive dokaze koji objašnjavaju zašto je ova zvijezda pratila sličan obrazac. M31-2014-DS1 se prvobitno izdvajala kao „čudak“, dodaje De, ali se sada čini da je ona samo jedan član klase objekata - uključujući i NGC 6946-BH1.

„Samo uz ove pojedinačne dragulje otkrića počinjemo da sklapamo ovakvu sliku“, objasnio je De.