Η τεράστια μαύρη τρύπα θα μπορούσε να αμφισβητήσει τις αστρικές θεωρίες εξέλιξης

Οι αστρονόμοι χρησιμοποίησαν το Very Long Baseline Array (VLBA) για να ανακαλύψουν ότι η πρώτη μαύρη τρύπα που ανιχνεύθηκε ποτέ είναι στην πραγματικότητα πολύ μεγαλύτερη από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως. Τόσο μεγάλο, με μάζα 21 φορές τη μάζα του Ήλιου, που αμφισβητεί τις υπάρχουσες θεωρίες σχετικά με την εξέλιξη των άστρων και το πώς σχηματίζουν τις μαύρες τρύπες. Αυτοί οι περιορισμοί θα πρέπει να περιορίσουν τις αστρικές μαύρες τρύπες σε δυαδικά συστήματα σε περίπου 15 ηλιακές μάζες.

Το Cygnus X-1 είναι ένα δυαδικό σύστημα του Γαλαξία που περιέχει μια μαύρη τρύπα και ένα υπεργίγαντα συνοδό αστέρι που το τροφοδοτεί με αέριο και άλλο υλικό. Ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 1964, το δυαδικό σύστημα έγινε ένα από τα πιο έντονα μελετημένα αντικείμενα στην αστρονομία. Ωστόσο, η εξοικείωσή μας με το Cygnus X-1 δεν σημαίνει ότι δεν μπορεί να προσφέρει μια ή δύο εκπλήξεις.

Εκτός από το ότι η μαύρη τρύπα έχει 50% μεγαλύτερη μάζα από προηγούμενες εκτιμήσεις, κοντά σε 21 ηλιακές μάζες σε αντίθεση με 15 ηλιακές μάζες, η ομάδα ανακάλυψε επίσης ότι το συνοδό αστέρι έχει επίσης μεγαλύτερη μάζα από ό,τι είχαν αποκαλύψει προηγούμενες μετρήσεις. Το σύστημα στο σύνολό του είναι 20% πιο μακριά από ό,τι είχε υπολογιστεί προηγουμένως–7.200 έτη φωτός από τη Γη σε αντίθεση με τα 6.100 έτη φωτός.

«Γνωρίζουμε ότι το Cygnus X-1 φιλοξενεί μια μαύρη τρύπα που έχει μάζα 21 φορές τη μάζα του Ήλιου. Μάθαμε επίσης ότι ο υπεργίγαντας συνοδός αστέρας στο Cygnus X-1 έχει επίσης μεγαλύτερη μάζα από ό,τι πιστεύαμε, με μάζα περίπου 40 φορές τη μάζα του Ήλιου», δήλωσε ο καθηγητής James Miller-Jones, το Διεθνές Κέντρο Ραδιοαστρονομικής Έρευνας ( ICRAR), Πανεπιστήμιο Curtin, Αυστραλία, λέει στο ZME Science. " Οι αναθεωρημένες μάζες και αποστάσεις οδηγούν επίσης σε έναν ενημερωμένο τροχιακό διαχωρισμό μεταξύ του αστέρα και της μαύρης τρύπας — περιφέρονται μεταξύ τους σε απόσταση ίση με το ένα τέταρτο της απόστασης από τη Γη στον Ήλιο.»

Το εύρημα, που δημοσιεύτηκε στην τελευταία έκδοση του περιοδικού Science, σημαίνει ότι το Cygnus X-1 περιέχει τη μεγαλύτερη μαύρη τρύπα που δημιουργήθηκε μέσω της κατάρρευσης ενός αστεριού μόνο, που έχει ανιχνευθεί ποτέ με την παραδοσιακή ηλεκτρομαγνητική αστρονομία χωρίς τη χρήση βαρυτικών κυμάτων. Μεγαλύτερες μαύρες τρύπες υπάρχουν φυσικά, αλλά αυτές σχηματίζονται μέσω άλλων μηχανισμών, όπως οι συγχωνεύσεις μεταξύ μικρότερων μαύρων οπών μετά από αυτή την αρχική αστρική κατάρρευση.

Ο Miller-Jones, ο επικεφαλής ερευνητής της μελέτης, συνεχίζει εξηγώντας ότι η ομάδα έμαθε επίσης ότι η μαύρη τρύπα περιστρέφεται πολύ γρήγορα , κοντά στη μέγιστη δυνατή ταχύτητά της.

Το εύρημα δεν συμμορφώνεται με τις τρέχουσες θεωρίες σχετικά με το σχηματισμό μαύρης τρύπας και την αστρική ανάπτυξη σε δυαδικά συστήματα, καθώς η μάζα της είναι μεγαλύτερη από το όριο που επιβάλλεται σε ένα τέτοιο αντικείμενο.

Πώς το Cygnus X-1 προκαλεί τις θεωρίες της αστρικής εξέλιξης

Η ομάδα πέτυχε το εύρημα της ενώ διεξήγαγε ένα φιλόδοξο έργο για την παρατήρηση του Cygnus X-1 σχεδόν συνεχώς σε μια πλήρη τροχιά 5,6 ημερών με το δίκτυο των ραδιοτηλεσκοπίων που περιλαμβάνουν τηλεσκόπια VLBA και ακτίνων Χ. Ο στόχος της έρευνας ήταν να κατανοήσει καλύτερα πώς το αέριο που τροφοδοτείται σε μια μαύρη τρύπα από έναν δυαδικό συνεργάτη μέσω ενός σπειροειδούς δίσκου προσαύξησης συνδέεται με ισχυρούς πίδακες υλικού που εκτοξεύονται από κοντά στην κεντρική περιοχή με σχεδόν ταχύτητα φωτός.

«Οι μαύρες τρύπες σχηματίζονται από τον θάνατο των πιο ογκωδών αστέρων όταν τελειώνουν τα καύσιμα και η βαρύτητα κυριαρχεί», λέει ο Miller-Jones. «Η μάζα της προκύπτουσας μαύρης τρύπας καθορίζεται από την αρχική μάζα του άστρου από το οποίο σχηματίστηκε — το οποίο ονομάζουμε προγονικό αστέρι — την ποσότητα της μάζας που έχασε το αστέρι στους ανέμους κατά τη διάρκεια της ζωής του και τυχόν αλληλεπιδράσεις με ένα κοντινό συνοδό αστέρι. .»

Ο Μίλερ-Τζόουνς συνεχίζει, λέγοντας ότι τα τεράστια αστέρια εκτοξεύουν πολύ ισχυρούς ανέμους από την επιφάνειά τους, γεγονός που οδηγεί σε σημαντική απώλεια μάζας κατά τη διάρκεια της ζωής τους λίγων εκατομμυρίων ετών. Ορισμένες από τις μεταγενέστερες φάσεις της εξέλιξης του άστρου έχουν ιδιαίτερα ισχυρούς ανέμους — που καθορίζονται από την αφθονία των στοιχείων βαρύτερων από το ήλιο στο αέριο από το οποίο σχηματίστηκε το αστέρι. Περισσότερα βαριά στοιχεία σημαίνουν ισχυρότερους ανέμους και, τελικά, ένα αστέρι με μικρότερη μάζα αμέσως πριν από τη βαρυτική κατάρρευση.

Ενώ ορισμένα αστέρια μπορούν επίσης να χάσουν περαιτέρω μάζα σε εκρήξεις σουπερνόβα καθώς καταρρέουν για να σχηματίσουν μια μαύρη τρύπα, τα στοιχεία δείχνουν ότι στον Cygnus X-1 δεν υπήρξε έκρηξη και το αστέρι κατέρρευσε απευθείας σε μια μαύρη τρύπα», λέει ο Miller-Jones. . "Όσο ισχυρότεροι είναι οι αστρικοί άνεμοι κατά τη διάρκεια των όψιμων εξελικτικών φάσεων του άστρου, τόσο μικρότερη μάζα θα περιμέναμε να είναι η μαύρη τρύπα."

Στην αρχή, η ομάδα δεν γνώριζε πλήρως πόσο σημαντική ήταν η ανακάλυψη των μαζικών ανισοτήτων στο δυαδικό σύστημα Cygnus X-1. «Νομίζω ότι η μεγαλύτερη έκπληξή μας ήταν όταν εκτιμήσαμε τις πλήρεις συνέπειες των μετρήσεών μας», λέει ο Miller-Jones. «Ως παρατηρητικοί αστρονόμοι, η ομάδα μου και εγώ είχαμε ήδη ανακαλύψει ότι μπορούσαμε να αναθεωρήσουμε την απόσταση της πηγής και τη μάζα της μαύρης τρύπας. Ωστόσο, μόνο όταν επισκέφτηκα έναν συνάδελφο, τον καθηγητή Ilya Mandel του Πανεπιστημίου Monash, ο οποίος είναι θεωρητικός αστρονόμος, συνειδητοποιήσαμε πόσο σημαντικό ήταν αυτό στην πραγματικότητα.”

Ο Mandel – συν-συγγραφέας στο έγγραφο που προέκυψε – συνειδητοποίησε ότι μια μαύρη τρύπα 21 ηλιακής μάζας ήταν πολύ μεγάλη για να σχηματιστεί στον Γαλαξία με τους περιορισμούς που ισχύουν λόγω των σημερινών επικρατουσών εκτιμήσεων της ποσότητας μάζας που χάνεται από τεράστια αστέρια στα αστρικά άνεμοι.

Cygnus X-1:No Stranger to Contraversy

Τα ευρήματα της ομάδας τους επέτρεψαν να υποβάλουν ένα σενάριο που θα επέτρεπε το σχηματισμό μιας μαύρης τρύπας 21 ηλιακής μάζας σε ένα δυαδικό σύστημα. «Προτείνουμε ότι το αστέρι που τελικά κατέρρευσε σε μια μαύρη τρύπα ξεκίνησε τη ζωή του πριν από μερικά εκατομμύρια χρόνια με μάζα 55-75 φορές τη μάζα του Ήλιου», λέει ο Miller-Jones στο ZME. «Κατά τη διάρκεια της ζωής του, ήταν αρκετά κοντά στον σύντροφό του –τον σημερινό υπεργίγαντα– που το αέριο από την επιφάνειά του μεταφέρθηκε στον σύντροφό του. Αυτό αφαίρεσε τα εξωτερικά στρώματα του προγονέα της μαύρης τρύπας και την έκανε να περιστρέφεται πιο γρήγορα επειδή τα δύο αστέρια κρατούσαν πάντα το ίδιο πρόσωπο το ένα προς το άλλο.

Επιπλέον, εκτός από το να αποκτήσει μια εικόνα για τη γέννηση της μαύρης τρύπας, ο Miller-Jones πιστεύει ότι τα αποτελέσματα της ομάδας θα μπορούσαν επίσης να υποδείξουν πώς το σύστημα θα μπορούσε να τερματίσει τη ζωή του. «Τέλος, εξετάσαμε την τελική μοίρα αυτού του συστήματος», λέει ο επικεφαλής συγγραφέας της εφημερίδας. «Ενώ το τρέχον συνοδό αστέρι μπορεί τελικά να σχηματίσει μια μαύρη τρύπα, ο διαχωρισμός των δύο αστεριών είναι τέτοιος που οι δύο μαύρες τρύπες είναι απίθανο να συγχωνευθούν σε χρονική κλίμακα συγκρίσιμη με την ηλικία του Σύμπαντος».

Ένα συνοδευτικό έγγραφο που εμφανίζεται την ίδια στιγμή στο Astrophysical Journal θα εμβαθύνει σε αυτά τα στοιχεία της έρευνας.

Αυτή δεν είναι η πρώτη φορά που το Cygnus X-1, και πιο συγκεκριμένα η μαύρη τρύπα του, πυροδοτεί συζητήσεις στους τομείς της αστρονομίας και της κοσμολογίας. Καθώς αυξήθηκαν οι εικασίες ότι η έντονη πηγή ακτίνων Χ στην περιοχή ήταν το αποτέλεσμα μιας μαύρης τρύπας, ο διάσημος φυσικός Stephen Hawking πόνταρε τον συνάδελφό του επιστήμονα Kip Thorne –πολύ γνωστός για το έργο του για τις μαύρες τρύπες– το 1974 ότι το Cygnus X-1 δεν περιείχε μια μαύρη τρύπα.

Ο Χόκινγκ έχασε το στοίχημα, παραδέχτηκε εισβάλλοντας στο γραφείο του Θορν ενώ ήταν σε ταξίδι στη Ρωσία και υπέγραψε το στοίχημα με πλαίσιο.

Η ομάδα τώρα σκοπεύει να εφαρμόσει την τεχνική που τους οδήγησε σε αυτό το εύρημα για να διερευνήσει περαιτέρω μαύρες τρύπες. Αυτό θα τους επιτρέψει να κατανοήσουν καλύτερα πώς τα τεράστια αστέρια χάνουν μάζα μέσω των αστρικών ανέμων. Με αυτά τα λεγόμενα, καθώς ο Cygnus X-1 είναι σχετικά μοναδικός στον Γαλαξία – ως μια από τις λίγες μαύρες τρύπες που έχουν εντοπιστεί μέχρι στιγμής σε τροχιά με ένα τεράστιο συνοδό αστέρι – ο Miller-Jones πιστεύει ότι είναι απίθανο να βρουν άλλα δυαδικά συστήματα σε που οι μάζες του αστεριού και της μαύρης τρύπας αποκλίνουν τόσο δραστικά από τις τρέχουσες εκτιμήσεις.

«Το πιο συναρπαστικό για μένα, η έλευση νέων τηλεσκοπίων αιχμής όπως το ραδιοτηλεσκόπιο Square Kilometer Array (SKA) θα μας επιτρέψει να ανιχνεύσουμε πολλές περισσότερες μαύρες τρύπες και να μελετήσουμε τις ιδιότητές τους, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου με τον οποίο η ύλη ρέει μέσα και μακριά από αυτές. με περισσότερες λεπτομέρειες από ποτέ», καταλήγει ο καθηγητής Miller-Jones. "Είναι μια συναρπαστική στιγμή να είσαι σε αυτόν τον τομέα!"

Πηγές

Μίλερ-Τζόουνς. J., Orosz. J. A., Mandel. I., «Το Cygnus X-1 περιέχει μια μαύρη τρύπα 21 ηλιακής μάζας – συνέπειες για τεράστιους αστρικούς ανέμους», Science, [2021], [https://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.abb3363]