7 Minutės
Įsivaizduokite laisvai susietą senovinių žvaigždžių spiečių, išbarstytą lyg trupiniai per dangų — ir atraskite, kad jo šerdyje nėra švytinčių žvaigždžių, o tamsių, kompaktiškų liekanų: daugiau nei šimtas žvaigždinių masių juodųjų skylių. Tokią įspūdingą iliustraciją pateikia nauji tyrimai apie Palomar 5, išplitusį globulinį spiečių ir ilgą potvynio taką, esantį toli Paukščių Tako haloe.
Palomar 5 yra neįprastas. Žvaigždžių grupė, kurią žymi šis pavadinimas, išsitempia į potvynio taką, apimantį dešimtis laipsnių danguje, ir tęsiasi maždaug 30 000 šviesmečių ilgiu; pats sistemos centras yra maždaug 80 000 šviesmečių nuo Žemės. Tuo metu kai daugelis globulinių žvaigždžių spiečių yra kompaktiški, sferiški ir tankiai užpildyti šimtais tūkstančių senų žvaigždžių, Palomar 5 yra laisvas ir jau yra ištraukiamas Galaxy gravitacijos. Ši trapumas, kaip paaiškėja, gali būti raktas į tai, ką jis slepia savo viduje.
Dešimtmečius astronomai traktavo globulinius spiečius kaip ankstyvosios Visatos fosilijas: tankias žvaigždžių laboratorijas, kur kiekviena žvaigždė gimė tuo pačiu metu iš to paties debesies. Tačiau Europos kosmoso agentūros Gaia misijai pradėjus itin detaliai žemėlapiuoti Paukščių Taką, prieš akis atsivėrė ilgi, upės pavidalo potvynio takai — suplėšytos spiečių ir nykštukinių galaktikų liekanos. Palomar 5 turi matomą pirminį spiečių branduolį ir ištemptą uodegą bėgančių žvaigždžių, todėl jis yra idealus laboratorinis pavyzdys tirti, kaip atsiranda ir vystosi potvynio takai.
Simuliacijos, juodosios skylės ir žvaigždžių išstūmimas
Tyrėjai pasitelkė didelės skiriamosios gebos N-body (N-kūnų) simuliacijas, kad atgal atkurtų ir vėl paleistų galimas Palomar 5 istorijas, stebėdami atskirų žvaigždžių gravitacinius tarpusavio veiksmus per milijardus metų. Įtraukus žvaigždinių masių juodųjų skylių populiacijas spiečiaus centre, modeliai atkūrė neįprastai išsklaidytą dabartinę struktūrą ir ryškų, ilgą potvynio taką. Kai juodosios skylės buvo praleistos, simuliuotas spiečius išliko per daug kompaktiškas ir negalėjo paaiškinti pabėgusių žvaigždžių kiekio bei išsidėstymo.
Kodėl čia juodosios skylės turi reikšmę? Jos elgiasi kaip sunkios biliardo rutuliai perpildytame stalo aikštyne. Sąveikos tarp žvaigždžių ir juodųjų skylių perduoda kinetinę energiją lengvesnėms žvaigždėms, išmetant jas į plačias orbitas arba tiesiog išmetant į potvynio taką. Kartu su laiku lengvesnės žvaigždės linkusios palikti sistemą, palikdamos centre didesnę masių dalį sudarančius kompaktiškus likučius. Simuliacijos rodo, kad Palomar 5 elgesį geriausiai paaiškintų, jeigu maždaug viena penktoji dalis spiečiaus masės būtų juodųjų skylių — tai reiškia populiaciją tris kartus didesnę nei būtų aišku pagal matomų žvaigždžių dabartinį skaičių.
Autorių komanda pateikia tyrimo aiškinimą tiek teoriniu, tiek skaitmeniniu lygmens. N-body simuliacijos leido atsižvelgti į daugiasluoksnį dinamikos poveikį: masės segregaciją (sunkių objektų koncentraciją link centro), viščiuko principą — kai masyvūs objektai „nuslysta“ link spiečiaus šerdies — ir smulkius, bet išilginius potvynio bangavimus, kuriuos sukelia galaktinės pasikartojančios peri- ir apogalaktinės užuotinės sąveikos su Paukščių Tako potencialu. Tokie sprendimai ėmėsi milijonų integravimo žingsnių, siekiant išlaikyti skaitmeninio triukšmo valdymą ir tikslumą per milijardų metų evoliuciją.
Simuliacijose naudotiems prielaidoms taip pat skirta papildoma analizė: masių funkcija, pradinė žvaigždžių tankio paskirstymo schema, supernovų sprogimų metu susidariusių liekanų masės pasiskirstymas ir spiečiaus evoliucijos aplinkos sąlygos. Visos šios detalės prisidėjo prie tikslesnio modelio, kuris su juodosiomis skylėmis atitiko Palomar 5 stebimus parametrus — žvaigždžių tankį, šerdies dydį ir stipraus potvynio tako profilį.
"Juodųjų skylių skaičius apytiksliai trigubai didesnis, nei būtų galima manyti remiantis spiečiuje esančių žvaigždžių skaičiumi, ir tai reiškia, kad daugiau nei 20 procentų bendros spiečiaus masės sudaro juodosios skylės," sako Markas Gielesas, vadovavęs tyrimui. "Kiekviena jų turi maždaug 20 Saulės masių, ir jos susidarė supernovų sprogimų metu pabaigoje masyvių žvaigždžių gyvenimo, kai spiečius dar buvo labai jaunas."
Paukščių Tako plokštumos žemėlapis, gautas iš Gaia katalogo duomenų (eDR3). Viršutinė dalis rodo regioną, kuriame stebimas Palomar 5 žvaigždžių spiečius ir jo potvynio uodegos (DESI Legacy Imaging Survey, DECaLS/E. Balbinot, Gaia, DECaLS-DESI)
Kodėl tai svarbu: gravitaciniai bangai ir spiečių likimai
Yra dvi tiesioginės mokslinės naudos. Pirma: jei globuliniai spiečiai, tokie kaip Palomar 5, išlaiko dideles juodųjų skylių populiacijas, jie gali būti efektyvios dvigubų juodųjų skylių kūryklos, kurios vėliau susijungia ir generuoja gravitacinius signalus, kuriuos galima aptikti observatorijomis, tokiomis kaip LIGO ir Virgo. Tankių spiečių šerdyje dinaminės sąveikos gali suformuoti binarines sistemas per artimus susidūrimus; tokios binarinės sistemos po to „sikonsoliduoja“ (joms susiaurėja orbita) ir galiausiai suauga į vieną masyvų objektą, išskirdamos gravitacines bangas.
Antra: daugelio spiečių gyvenimo istorija gali baigtis kaip juodųjų skylių dominuojama liekana, kuri palaipsniui ištirpsta Paukščių Tako haloe. Simuliacijose Palomar 5 nuosekliai praranda masę ir tikėtina, kad maždaug po milijardo metų visiškai išgaruos kaip matoma žvaigždžių sistema. Prieš pat visišką išnykimą, likęs sujungtas objektas būtų beveik visiškai sudarytas iš juodųjų skylių, skriejančių aplink Galaktiką — vaiduokliškas originalaus žvaigždžių spiečiaus atgarsis.
Astrofizikas Fabio Antonini atkreipia dėmesį: "Didelis nežinomybės faktorius šiame scenarijuje yra, kiek juodųjų skylių yra spiečiuose — to stebėjimais nustatyti sunku, nes juodųjų skylių nematome." Jis priduria: "Mūsų metodas suteikia būdą sužinoti, kiek juodųjų skylių yra žvaigždžių spiečiuje, stebint žvaigždes, kurias jos išstumia." Toks netiesioginis požiūris — iš matomų žvaigždžių judesių ir išsidėstymo išvesti nematomas populiacijas — tampa galingu įrankiu spiečių astrofizikoje.
Išplėtotas supratimas apie juodųjų skylių vaidmenį spiečių evoliucijoje taip pat turi pasekmių gravitacinių bangų astronomijai. Kuo daugiau masyvių juodųjų skylių lieka spiečiaus viduje, tuo didesnė tikimybė, kad per ilgą laiko tarpą susidarys ir susijungs keli juodųjų skylių binarų tipai, prisidedantys prie stebimų susijungimų dažnio. Tai įtakoja prognozes apie gravitacinių bangų šaltinių gausumą ir masių pasiskirstymą, kuris yra svarbus LIGO/Virgo/KAGRA/ir būsimų observatorijų analizėms.
Ekspertų įžvalgos
Dr. Laura Mitchell, astrofizikė iš Galaktinės dinamikos instituto, komentuoja: "Tai, kas daro Palomar 5 įdomiu, yra matomo pradinio branduolio ir išplėsto tako derinys: tai retas atvejis, kai modeliai gali būti patikrinti tiek pagal vidinę struktūrą, tiek pagal išorines nuolaužas. Mintis, kad spiečiaus matomos žvaigždės gali būti nupjautos, o juodosios skylės liks, žvelgiant atgal atrodo intuityvi, tačiau šio proceso kiekybinimas reikalauja tokių detalių N-body darbų, kuriuos Gaia era dabar leidžia atlikti. Tai turi reikšmę visoje astrofizikoje — nuo žvaigždžių evoliucijos iki gravitacinių bangų šaltinių populiacijų."
Už Palomar 5 ribų platesnė išvada yra aiški: potvynio takai yra daugiau nei estetiniai dangaus raštai. Jie yra forensinis įrodymas. Jų forma, tankis ir tempas, kuriuo žvaigždės dingsta, koduoja nematomą masę ir dinaminę jų tėvinių sistemų praeitį. Su Gaia ir kitais ateities apžvalgų duomenimis astronomai gali žemėlapiuoti takus ir patikrinti, ar kiti spiečiai slepia panašiai dideles juodųjų skylių atsargas.
Tyrimas publikuotas žurnale Nature Astronomy ir remiasi Gaia tiksliąja astrometrija, derinama su giliomis vaizdavimo apžvalgomis bei moderniomis simuliacijų technikomis. Kai srautų katalogas augs ir modeliai gerės, mokslininkai patikslink jus, kiek juodųjų skylių spiečiai gamina ir išlaiko — skaičius, svarbus prognozuojant gravitacinių bangų dažnį, suprantant spiečių išlikimo trukmę ir braižant Paukščių Tako formavimosi istoriją.
Palomar 5 tam tikra prasme yra Rosetės akmuo potvynio takų formavimuisi: jis jungia matomą ir nematomą, rodydamas, kaip tamsios liekanos formuoja šviesą, kurią matome. Jei toliau skaitysime žvaigždėse paliktus raštus ir pagerinsime stebėjimus bei modeliavimą, galbūt atrasime ir kitas slėptas populiacijas, kurios papildys mūsų supratimą apie galaktinę evoliuciją.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą