מאיפה הם באים, הייחודיות המפתים האלה שמרעישות את האסטרופיזיקאים - ואת השאר. בטח, אנחנו מבינים את התהליכים שמאחורי חורים שחורים מסה כוכבית , וכיצד הם נוצרים מקריסת כבידה של כוכב.
אבל מה עם הכוכבים המדהימים במרכז הגלקסיות, אותם חורים שחורים סופר מסיביים (SMBH) שיכולים לגדול להיות מסיביים פי מיליארדי מהשמש שלנו?
איך הם הופכים כל כך גדולים?
זה די ברור ש-SMBHs לא מתחילים כל כך מאסיביים. הם חייבים לגדול. ובמונחים רחבים, יש רק שתי דרכים שיכולות לקרות: נוצר כוכב אבות מסיבי, שלאורך זמן באמצעות מיזוגים וצריכה, הוא הופך להיות מסיבי מספיק כדי יום אחד להיות SMBH.
הבעיה היא שמחקרים מראים שהתנאים להיווצרותם של אבות מסיביים אלה נדירים, ואינם יכולים להסביר את המספר הגדול של SMBHs שאסטרונומים רואים שם בחוץ: אחד במרכז כל גלקסיה גדולה.
מחברי מאמר חדש חושבים שהם הבינו את זה, באמצעות מחשב על חזק.
'המודל החדש שלנו מסוגל להסביר את מקורם של יותר חורים שחורים מהמחקרים הקודמים...'
Kazuyuki Omukai, מחבר משותף, אוניברסיטת טוהוקו
העיתון נקרא ' היווצרות כוכבים סופר מסיבית באמצעות צבירת סופר תחרותית בעננים מועשרים מעט במתכת. המחבר הראשי של המאמר הוא Sunmyon Chon, פוסט-דוקטורט בחברה לקידום המדע ביפן ובאוניברסיטת טוהוקו. המאמר מתפרסם ב-Mothly Notices of the Royal Astronomical Society.
אחת הבעיות עם חורים שחורים סופר מסיביים היא שיש כל כך הרבה מהם. אסטרונומים די בטוחים שיש אחד במרכז כל הגלקסיות הגדולות. איך אנחנו עוברים מכוכב שקרס למשהו כל כך מסיבי בצורה יוצאת דופן?
טלסקופ החלל שפיצר של נאס'א תפס את תמונת האינפרא אדום המדהימה הזו של מרכז גלקסיית שביל החלב, היכן ששוכן החור השחור קשת A*. קרדיט: NASA/JPL-Caltech
מחברי המחקר החדש הזה מציעים שהכוכבים שהם מבשרי SMBH יכולים להיווצר במערך רחב יותר של תנאים ממה שחשבו בעבר. התיאוריה שלהם אומרת שכוכבים מקדימים אלה גדלים לא רק על ידי צבירת גז בין-כוכבי, אלא גם על ידי בליעת כוכבים אחרים, קטנים יותר.
'המודל החדש שלנו מסוגל להסביר את מקורם של יותר חורים שחורים מהמחקרים הקודמים, ותוצאה זו מובילה להבנה אחידה של מקורם של חורים שחורים סופר-מאסיביים', אומר קזויוקי אומוקאי, מחבר שותף במחקר, ופרופסור ב- אוניברסיטת טוהוקו.
הכל מתחיל בעננים עצומים של גז בין כוכבי. בתוך העננים האלה, כוכבים מסיביים יכולים להיווצר עקב קריסה על ידי כוח המשיכה העצמי. כוכבי אבות אלה יכולים בסופו של דבר להתפתח ל-SMBHs.
מחשב העל ATERUI 2 המשמש במחקר חדש זה שייך למצפה הכוכבים האסטרונומי הלאומי של יפן (NAOJ). יש לו 40,200 ליבות, והוא יכול להופיע במעל 3 פטאפלופים. קרדיט תמונה: NAOJ
אבל יש בעיה עם זה. מחקרים הראו שתרחיש הקריסה הישירה יכול להתרחש רק בעננים בעלי מתכתיות נמוכה, ללא יסודות כבדים יותר ממימן והליום. נוכחותם של יסודות כבדים יותר כמו חמצן ופחמן משנה את הדינמיקה של ענן הגז. המתכות מקררות את ענן הגז, וכשהגז מתמוטט בעצמו, הוא מתפצל לעננים קטנים יותר. העננים הקטנים האלה מובילים אז להיווצרותם של כוכבים קטנים יותר, ולא אחד מסיבי מספיק כדי להיות המבשר ל-SMBH.
אז התמוטטות ישירה מענני הגז הבתוליים האלה לא יכולה להסביר את כל ה-SMBHs שאנו רואים במרכז הגלקסיות.
הצוות של צ'ון השתמש במחשב-על רב עוצמה כדי להתמודד עם השאלה הזו. המחשב נקרא 'ATERUI II' והוא מופעל על ידי המצפה האסטרונומי הלאומי של יפן (NAOJ). הצוות ביצע 'הדמיות תלת-ממד ברזולוציה גבוהה לטווח ארוך כדי לבדוק את האפשרות שכוכבים סופר-מסיביים יכולים להיווצר אפילו בגז מועשר ביסודות כבדים', כפי שנאמר ב- ידיעה לתקשורת.
תמונה מהדמיית ATERUI 2 של חורים שחורים. הנקודות השחורות ליד מרכז הדמות מייצגות כוכבים מסיביים, שלדעתם מתפתחים לחור שחור עם הזמן. הנקודות הלבנות מייצגות כוכבים שקטנים מ-10 מסת שמש ונוצרו על ידי פיצול ענן הגז. רבים מהכוכבים הקטנים יותר מתמזגים עם הכוכבים העל-מסיביים במרכז, ומאפשרים לכוכבים המאסיביים לצמוח ביעילות.
קרדיט: Sunmyon Chon
מחקרים קודמים היו נכונים בחלקם, לפי סימולציה זו. ענני הגז המאסיביים עדיין מתפצלים, אם יש מספיק מתכתיות כדי לקרר אותם, מה שגורם להיווצרות של כוכבים קטנים רבים יותר. אבל הסימולציה של צ'ון מראה שהפיצול אינו מספיק כדי למנוע היווצרות של כוכבי אבות מסיביים.
עבודתם מראה שזרימת גז חזקה לעבר מרכז הענן מושכת פנימה את הכוכבים הקטנים יותר, כדי להיבלע על ידי הכוכבים המאסיביים במרכז. בדרך זו, למרות פיצול הענן והיווצרותם של כוכבים קטנים יותר, ענני גז בעלי מתכת גבוהה עדיין יכולים ליצור כוכבים מסיביים מספיק כדי להיות אבות SMBHs. הם גדלים מספיק מסיביים בחלקם באמצעות קניבליזציה של הכוכבים הקטנים יותר.
נתון נוסף מהמחקר. זה מראה באיזה מנגנון רכשו כוכבי האב המסיביים את המסה שלהם. האזור האדום מייצג צמיחה על ידי צבירת גז, הירוק מייצג גידול מסה על ידי מיזוג עם כוכבים מאסיביים הגדולים מ-100 מסות שמש, וכחול מייצג צמיחה על ידי מיזוג עם כוכבים קטנים יותר בגודל של פחות מ-100 מסות שמש. קרדיט תמונה: Chon et al, 2020.
'זו הפעם הראשונה שהראינו את היווצרותו של חור שחור גדול כל כך מבשר בעננים המועשרים ביסודות כבדים. אנו מאמינים שהכוכב הענק שנוצר כך ימשיך לגדול ולהתפתח לחור שחור ענק', אומר צ'ון.
הסימולציה של צ'ון הביאה גם להיווצרות כוכב שהיה מסיבי פי 10,000 מהשמש שלנו. כוכב כל כך מסיבי הוא בהחלט גדול מספיק כדי להיות האב של SMBH.
נתון זה מהמחקר מראה את צמיחתם של כוכבים מקדימים מרגע הקריסה למרווחים של 300 שנים ו-600 שנים. השורות השונות מייצגות ריכוזים שונים של מתכתיות בסימולציה. השורה העליונה מייצגת עננים ללא מתכתיות, כאשר המתכתיות גוברת ככל שאנו נעים כלפי מטה בכל שורה. בניגוד למחקרים קודמים, הדמיה זו הראתה שכוכבי אבות מסיביים עדיין יכולים להיווצר, אפילו מענני גז בעלי מתכתיות גבוהה יותר. נקודות שחורות מייצגות כוכבים מסיביים, בעוד שנקודות לבנות מייצגות כוכבים קטנים יותר. קרדיט תמונה: Chon et al, 2020.
כפי שכותבים המחברים במאמרם, 'גם כאשר נוצרים שברים
על ידי התקררות האבק, הם נעים עם הגז הנכנס ולבסוף מתמזגים עם הכוכבים המרכזיים. מסיבה זו, צמיחת מסת הכוכבים העיקרית היא כמעט בלתי תלויה במתכתיות הענן...'
כוכבי ענק הם המבשרים של SMBHs שאנו רואים כמעט בכל הגלקסיות הגדולות. מחקר זה, באמצעות סימולציה רבת עוצמה, מראה שכוכבים מקדימים אלה יכולים להיווצר ביתר קלות בענני גז בעלי מתכתיות גדולה יותר ממה שמראה עבודות קודמות.
אם הוא עומד בבדיקה מדעית יותר, אולי תהיה לנו התשובה לאחת השאלות המרתקות ביותר של האסטרונומיה: מאיפה מגיעים החורים השחורים הסופר-מאסיביים במרכז הגלקסיות?
הבא: איזו השפעה יש למפלצות האלה על הגלקסיות המארחות אותן?