Neue Forschungsergebnisse verfolgen das Schicksal von Sternen, die in der Nähe des zentralen Schwarzen Lochs der Milchstraße leben

Trotz ihres hohen Alters wirken einige Sterne, die das zentrale supermassereiche Schwarze Loch der Milchstraße umkreisen, täuschend jugendlich. Aber im Gegensatz zu Menschen, die nach einer neuen Runde Kollageninjektionen verjüngt wirken könnten, sehen diese Sterne aus einem viel dunkleren Grund jung aus.

Sie haben ihre Nachbarn gefressen.

Dies ist nur eines der merkwürdigeren Ergebnisse der neuen Forschung der Northwestern University. Mithilfe eines neuen Modells haben Astrophysiker die gewaltigen Reisen von 1.000 simulierten Sternen verfolgt, die das zentrale supermassereiche Schwarze Loch unserer Galaxie, Sagittarius A* (Sgr A*), umkreisen.

Die Region ist so dicht mit Sternen gefüllt, dass es häufig zu brutalen Sternkollisionen kommt. Durch die Simulation der Auswirkungen dieser intensiven Kollisionen kommt die neue Arbeit zu dem Schluss, dass Kollisionsüberlebende Masse verlieren und zu abgespeckten, massearmen Sternen werden oder mit anderen Sternen verschmelzen können, um massiv zu werden und ein verjüngtes Aussehen zu erhalten.

„Die Region um das zentrale Schwarze Loch ist dicht mit Sternen, die sich mit extrem hohen Geschwindigkeiten bewegen“, sagte Sanaea C. Rose von Northwestern, die die Forschung leitete.

„Es ist ein bisschen so, als würde man während der Hauptverkehrszeit durch eine unglaublich überfüllte U-Bahn-Station in New York City laufen. Wenn man nicht mit anderen Menschen zusammenstößt, dann kommt man sehr nah an ihnen vorbei. Bei Sternen führen diese Beinahe-Kollisionen immer noch dazu, dass sie interagieren.“ gravitativ. Wir wollten erforschen, was diese Kollisionen und Wechselwirkungen für die Sternpopulation bedeuten und ihre Folgen charakterisieren.“

Rose präsentiert diese Forschung auf der Apriltagung der American Physical Society (APS) in Sacramento, Kalifornien. „Sternkollisionen im galaktischen Zentrum“ findet am Donnerstag (4. April) im Rahmen der Sitzung „Teilchenastrophysik und das Galaktische Zentrum.“

Rose ist Lindheimer Postdoctoral Fellow am Northwestern Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Sie begann diese Arbeit als Doktorandin. Kandidat an der UCLA.

Zum Zusammenstoß bestimmt

Das Zentrum unserer Milchstraße ist ein seltsamer und wilder Ort. Die Anziehungskraft von Sgr A* beschleunigt Sterne, so dass sie mit erschreckender Geschwindigkeit um ihre Umlaufbahnen rasen. Und die schiere Zahl der im Zentrum der Galaxie gepackten Sterne liegt bei über einer Million. Die dichte Ansammlung und die rasanten Geschwindigkeiten ergeben ein rasantes Abriss-Derby. Im innersten Bereich – nur 0,1 Parsec vom Schwarzen Loch entfernt – entkommen nur wenige Sterne unbeschadet.

„Der unserer Sonne am nächsten gelegene Stern ist etwa vier Lichtjahre entfernt“, erklärte Rose. „In der Nähe des supermassereichen Schwarzen Lochs gibt es in derselben Entfernung mehr als eine Million Sterne bewegen sich mit Tausenden von Kilometern pro Sekunde.

In dieser engen, hektischen Nachbarschaft können Sterne mit anderen Sternen kollidieren. Und je näher Sterne am supermassiven Schwarzen Loch leben, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit einer Kollision. Rose und ihre Mitarbeiter waren neugierig auf die Ergebnisse dieser Kollisionen und entwickelten eine Simulation, um das Schicksal der Sternpopulationen im galaktischen Zentrum zu verfolgen. Die Simulation berücksichtigt mehrere Faktoren: Dichte des Sternhaufens, Masse der Sterne, Umlaufgeschwindigkeit, Schwerkraft und Entfernungen vom Sgr A*.

Von „gewalttätigen High Fives“ bis hin zu totalen Fusionen

In ihrer Forschung hat Rose einen Faktor herausgefunden, der das Schicksal eines Sterns am wahrscheinlichsten bestimmt: seine Entfernung vom supermassereichen Schwarzen Loch.

Im Umkreis von 0,01 Parsec vom Schwarzen Loch stoßen Sterne, die sich mit Geschwindigkeiten von Tausenden von Kilometern pro Sekunde bewegen, ständig aufeinander. Es kommt selten zu einem Frontalzusammenstoß, sondern eher zu einem „heftigen High Five“, wie Rose es beschreibt. Die Einschläge sind nicht stark genug, um die Sterne vollständig zu zerschlagen. Stattdessen legen sie ihre äußeren Schichten ab und rasen weiter auf Kollisionskurs.

„Sie schlagen aufeinander ein und machen weiter“, sagte Rose. „Sie streifen sich einfach gegenseitig, als ob sie ein sehr heftiges High Five austauschen würden. Dies führt dazu, dass die Sterne etwas Material ausstoßen und ihre äußeren Schichten verlieren. Je nachdem, wie schnell sie sich bewegen und wie stark sie sich bei der Kollision überlappen, verlieren sie möglicherweise.“ Ein großer Teil ihrer äußeren Schichten führt zu einer Population seltsamer, abgespeckter Sterne mit geringer Masse.

Außerhalb von 0,01 Parsec bewegen sich Sterne in einem entspannteren Tempo – Hunderte von Kilometern pro Sekunde statt Tausenden. Aufgrund der geringeren Geschwindigkeit kollidieren diese Sterne miteinander, haben dann aber nicht genug Energie, um zu entkommen. Stattdessen verschmelzen sie und werden immer massiver. In manchen Fällen könnten sie sogar mehrmals verschmelzen und so eine zehnmal größere Masse als unsere Sonne erreichen.

„Ein paar Sterne gewinnen in der Kollisionslotterie“, sagte Rose. „Durch Kollisionen und Verschmelzungen sammeln diese Sterne mehr Wasserstoff. Obwohl sie aus einer älteren Population entstanden sind, geben sie sich als verjüngte, jung aussehende Sterne aus. Sie sind wie Zombiesterne; sie fressen ihre Nachbarn.“

Doch das jugendliche Aussehen geht mit einer kürzeren Lebenserwartung einher.

„Sie sterben sehr schnell“, sagte Rose. „Massive Sterne sind so etwas wie riesige, spritfressende Autos. Sie beginnen mit viel Wasserstoff, verbrennen ihn aber sehr, sehr schnell.“

Extreme Umgebung „wie keine andere“

Obwohl Rose einfach Freude an der Erforschung der bizarren, extremen Region in der Nähe unseres galaktischen Zentrums hat, kann ihre Arbeit auch Informationen über die Geschichte der Milchstraße liefern. Und weil der zentrale Cluster extrem schwer zu beobachten ist, können die Simulationen ihres Teams ansonsten verborgene Prozesse beleuchten.

„Es ist eine Umgebung wie keine andere“, sagte Rose. „Sterne, die unter dem Einfluss eines supermassereichen Schwarzen Lochs in einer sehr dicht besiedelten Region stehen, sind anders als alles, was wir jemals in unserer eigenen Sonnenumgebung sehen werden. Aber wenn wir etwas über diese Sternpopulationen lernen können, dann könnten wir vielleicht etwas lernen.“ Neues darüber, wie das galaktische Zentrum aufgebaut wurde. Zumindest stellt es sicherlich einen Kontrastpunkt für die Nachbarschaft dar, in der wir leben.

Roses APS-Präsentation wird Forschungsergebnisse umfassen, die von veröffentlicht wurden Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe im März 2024 und bis Das Astrophysikalische Journal im September 2023.