Komunikat prasowy

Ile masy potrzeba na czarną dziurę?

Astronomowie stawiają wyzwanie aktualnym teoriom

18 sierpnia 2010

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 (eso0510) 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 (eso0831) 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.

Uwagi

[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.

Więcej informacji

Wyniki badań zaprezentowane w niniejszym Komunikacie prasowym ESO ukażą się wkrótce w czasopiśmie naukowym "Astronomy and Astrophysics" ("A VLT/FLAMES survey for massive binaries in Westerlund 1: II. Dynamical constraints on magnetar progenitor masses from the eclipsing binary W13", autorzy B. Ritchie i in.). Ten sam zespół opublikował pierwsze badania tego obiektu w 2006 r. ("A Neutron Star with a Massive Progenitor in Westerlund 1", autorzy M.P. Muno i in., Astrophysical Journal, 636, L41).

Skład zespołu badawczego: Ben Ritchie I Simon Clark (The Open University, Wielka Brytania), Ignacio Negueruela (Universidad de Alicante, Hiszpania), Norbert Langer (Universität Bonn, Niemcy i Universiteit Utrecht, Holandia).

Aby badać gwiazdy w gromadzie Westerlund 1 astronomowie korzystali z instrumentu FLAMES na ESO Very Large Telescope w Paranal w Chile.

ESO, Europejskie Obserwatorium Południowe, jest wiodącą międzyrządową organizacją astronomiczną w Europie i najbardziej produktywnym obserwatorium astronomicznym na świecie. Należy do niego 14 krajów: Austria, Belgia, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Hiszpania, Holandia, Niemcy, Portugalia, Szwajcaria, Szwecja, Wielka Brytania oraz Włochy. ESO prowadzi ambitne programy dotyczące projektowania, konstrukcji i użytkowania silnych naziemnych instrumentów obserwacyjnych, pozwalając astronomom na dokonywanie znaczących odkryć naukowych. ESO odgrywa wiodącą rolę w promowaniu i organizowaniu współpracy w badaniach astronomicznych. ESO zarządza trzema unikalnymi, światowej klasy obserwatoriami w Chile: La Silla, Paranal i Chajnantor. W Paranal ESO posiada Bardzo Duży Teleskop (Very Large Telescope), najbardziej zaawansowane na świecie astronomiczne obserwatorium w świetle widzialnym oraz teleskop VISTA, największy na świecie instrument do przeglądów nieba. ESO jest europejskim partnerem dla rewolucyjnego teleskopu ALMA, największego istniejącego projektu astronomicznego. ESO planuje obecnie 42-metrowy Ekstremalnie Wielki Teleskop Europejski (European Extremely Large optical/near-infrared Telescope - E-ELT), który stanie się "największym okiem świata na niebo".

Linki

• Publikacja naukowa
• Więcej informacji: Pakiet prasowy o czarnych dziurach

Kontakt

Simon Clark
The Open University
UK
Tel.: +44 207 679 4372
E-mail: jsc@star.ucl.ac.uk

Ignacio Negueruela
Universidad de Alicante
Alicante, Spain
Tel.: +34 965 903400 ext 1152
E-mail: ignacio.negueruela@ua.es

Richard Hook
ESO, La Silla, Paranal and E-ELT Press Officer
Garching bei München, Germany
Tel.: +49 89 3200 6655
E-mail: rhook@eso.org

Krzysztof Czart (Kontakt dla mediów Polska)
Sieć Popularyzacji Nauki ESO oraz Urania - Postępy Astronomii
Toruń, Polska
Tel.: +48 513 733 282
E-mail: eson-poland@eso.org

Śledź ESO w mediach społecznościowych