Bilgisayar simülasyonları, yıldız kümelerinin içinde orta kütleli kara deliklerin nasıl oluşabileceğini gösteriyor

Aralarında Max Planck Astronomi Enstitüsü personelinin de bulunduğu uluslararası bir gökbilimciler konsorsiyumu, bulunması zor orta kütleli kara deliklerin karmaşık oluşum mekanizmalarını başarılı bir şekilde ortaya çıkardı. Bunlar, daha küçük akrabaları olan yıldızsal kara delikler ve galaksilerin merkezlerinde yaşayan süper kütleli devler arasındaki bağlantıyı temsil ediyor olabilirler.

Bu başarı, Gran Sasso Bilim Enstitüsü liderliğindeki DRAGON-II simülasyon projesinden kaynaklanmaktadır. Bu çalışmaya katılan bilim insanları, yıldızların, yıldız kara deliklerinin ve yoğun yıldız kümeleri içindeki fiziksel süreçlerin karmaşık etkileşimlerini hesaplayarak, bu ortamlarda birkaç yüz güneş kütlesine kadar kara deliklerin ortaya çıkabileceğini gösterdi.

Orta kütleli kara deliklerin (IMBH’ler) yerini bulma ve kökenlerini anlama arayışı devam eden bir muamma olmaya devam ediyor. Eğer varsalar, iki uç kara delik arasında bağlantı görevi görebilirler. Düşük kütleli uçta, büyük yıldızların yaşamlarının sonundaki süpernova patlamalarının kalıntıları olan yıldız kara deliklerini gözlemliyoruz.

Öte yandan galaksilerin merkezlerinde güneşten milyonlarca, hatta milyarlarca kat daha büyük kara delikler buluyoruz. Bu nesnelerin oluşumu ve büyümesi, modern astronomi için hâlâ büyüleyici bir gizemi temsil ediyor; bunun temel nedeni, bu tür kara deliklerin varlığını destekleyen kesin bir kanıtın bulunmaması. Gökbilimciler onları yoğun ve kalabalık yıldız kümelerinde bulmayı bekliyor.

İtalya’nın L’Aquila kentindeki Gran Sasso Bilim Enstitüsü’nden (GSSI) Manuel Arca Sedda ve “Orta kütleli kara deliklerin gözlemlenmesi zordur” diye açıklıyor. Kraliyet Astronomi Topluluğunun Aylık Bildirimleri. “Mevcut gözlem sınırları, kütleleri 1.000 ila 10.000 güneş kütlesi arasında olan orta kütleli kara deliklerin popülasyonu hakkında bir şey söylememize izin vermiyor ve aynı zamanda bunların oluşumuna yol açan olası mekanizmalar konusunda bilim adamları için baş ağrısı oluşturuyor.”

Bu dezavantajın üstesinden gelmek için, Arca Sedda liderliğindeki ve Heidelberg, Almanya’daki Max Planck Astronomi Enstitüsü’nden (MPIA) Albrecht Kamlah’ın da dahil olduğu uluslararası bir ekip, EJDERHA olarak bilinen yıldız kümelerinin yenilikçi bir dizi yüksek çözünürlüklü sayısal simülasyonunu gerçekleştirdi. II küme veritabanı. Bu çabada gökbilimciler genç, yoğun nüfuslu ve büyük kütleli yıldız kümelerinde orta kütleli kara deliklerin oluşumuna yönelik potansiyel bir yolu ortaya çıkardılar.

Bu çığır açan simülasyonların, normal tek ve ikili yıldızlar arasındaki, çarpışmalara yol açan ve sonunda IMBH’lere dönüşecek giderek daha büyük kütleli yıldızlar oluşturan bir dizi karmaşık etkileşimi hesaplaması gerekiyordu. Bu aşamada, bu kara delikler ek büyük yıldızları ve kara delikleri bünyesine katmaya devam edebilir ve bu da birkaç yüz güneş kütlesine ulaşan bir büyümeye yol açabilir. Görünen o ki orta kütleli bir kara deliğe giden tek bir yol yok. Bunun yerine, gökbilimciler karmaşık bir dizi etkileşim ve birleşme olayı buluyorlar.

%10 ile %30 arasında değişen bir ikili yıldız oranı sergileyen simüle edilmiş yıldız kümelerinde bir milyona kadar yıldız yer aldı. Kamlah, “Simüle edilmiş kümeler, Samanyolu, Macellan Bulutları ve yerel evrenimizdeki çeşitli galaksilerde gözlemlenen gerçek dünyadaki benzerlerini yakından yansıtıyor” diye belirtiyor.

Bu simülasyonlarda orta kütleli bir kara deliğin daha sonraki kaderini takip eden gökbilimciler, diğer yıldızlar ve yıldızsal kara deliklerle şiddetli etkileşimlerin damgasını vurduğu, tipik olarak birkaç yıl içinde ana kümesinden hızlı bir şekilde atılmasına yol açabilecek çalkantılı bir dönem belirlediler. yüz milyon yıl.

Bu fırlatma, arka deliğin daha fazla büyümesini etkili bir şekilde sınırlandırır. Hesaplamalı modeller, IMBH tohumlarının doğal olarak yıldız kümeleri içindeki enerjik yıldız etkileşimlerinden kaynaklandığını, ancak birkaç yüz güneş kütlesini aşan daha büyük kütlelere ulaşma eğilimlerinin, ortamın olağanüstü yoğunluğuna veya kütleselliğine bağlı olduğunu ortaya koyuyor.

Bununla birlikte, çok önemli bir bilimsel bilmece hala çözülmemiş durumda: Orta kütleli kara deliklerin, daha küçük yıldız benzerleri ile devasa süper kütleli kara delikler arasındaki eksik halka olup olmadığı. Bu soru şimdilik cevapsız kalıyor ancak çalışma bilinçli varsayımlara yer açıyor.

Arca Sedda, “Daha iyi bir açıklama için iki bileşene ihtiyacımız var” diye açıklıyor, “orta kütleli kara delikler oluşturabilen bir veya daha fazla süreç ve bunları ev sahibi ortamda tutma olasılığı.” Çalışma, ilk bileşene katı kısıtlamalar getirerek IMBH’lerin oluşumuna hangi süreçlerin katkıda bulunabileceğine dair net bir genel bakış sunuyor.

Daha fazla ikili yıldız içeren daha büyük kümelerin dikkate alınması, gelecekte ikinci bileşenin elde edilmesine yardımcı olabilir; ancak bu, sonraki simülasyonlar için zorlu gereksinimler doğurur.

İlginçtir ki, erken evrende oluşan yıldız kümeleri IMBH büyümesini sürdürmek için uygun niteliklere sahip olabilir. Bu tür eski yıldız kümelerinin, örneğin James Webb Uzay Teleskobu’nun (JWST) yardımıyla ve yeni teorik modellerin geliştirilmesiyle gelecekte gözlemlenmesi, orta kütleli ve süper kütleli kara delikler arasındaki ilişkinin çözülmesine yardımcı olabilir.