Amerikaanse en Australische astrofysici hebben een kandidaat ontdekt voor middelgrote zwarte gaten. Ze hebben deze naam gekregen omdat ze zwaarder zijn dan gewone - dat wil zeggen, die gevormd als gevolg van de zwaartekracht van sterren - objecten, maar lichter dan superzware zwarte gaten, die zich meestal in de actieve kernen van grote sterrenstelsels bevinden. De oorsprong van de bijzondere objecten is nog onduidelijk. "Lenta.ru" heeft het over zwarte gaten van tussenmassa's en de ontdekking van wetenschappers.
De meeste zwarte gaten die wetenschappers kennen - dat wil zeggen objecten die geen enkele materie kan verlaten (kwantumeffecten negerend) - zijn ofwel zwarte gaten met een stellaire massa of superzware zwarte gaten. De oorsprong van deze zwaartekrachtobjecten is voor astronomen ongeveer duidelijk. De eerste, zoals hun naam al aangeeft, vertegenwoordigen de laatste fase in de evolutie van zware armaturen, wanneer thermonucleaire reacties in hun diepten ophouden. Ze zijn zo zwaar dat ze geen witte dwergen of neutronensterren worden.
Kleine sterren zoals de zon veranderen in witte dwergen. Hun zwaartekrachtcompressiekracht wordt gecompenseerd door de elektromagnetische afstoting van het elektron-nucleaire plasma. Bij zwaardere sterren wordt de zwaartekracht beperkt door de druk van nucleaire materie, wat resulteert in neutronensterren. De kern van dergelijke objecten wordt gevormd door een neutronenvloeistof, die is bedekt met een dunne plasmalaag van elektronen en zware kernen. Ten slotte veranderen de zwaarste armaturen in zwarte gaten, wat perfect wordt beschreven door de algemene relativiteitstheorie en statistische fysica.
Bolvormige sterrenhoop 47 Toucan
Foto: NASA / ESA / Hubble Heritage
De grenswaarde van de massa van een witte dwerg, die verhindert dat hij in een neutronenster verandert, werd in 1932 geschat door de Indiase astrofysicus Subramanian Chandrasekhar. Deze parameter wordt berekend uit de evenwichtstoestand van het gedegenereerde elektronengas en gravitatiekrachten. De huidige waarde van de Chandrasekhar-limiet wordt geschat op ongeveer 1,4 zonsmassa's. De bovengrens van de massa van een neutronenster, waarbij deze niet in een zwart gat verandert, wordt de Oppenheimer-Volkov-limiet genoemd. Het wordt bepaald uit de evenwichtstoestand van de druk van het gedegenereerde neutronengas en de zwaartekracht. In 1939 ontvingen wetenschappers zijn waarde bij 0,7 zonsmassa's; moderne schattingen variëren van 1,5 tot 3,0.
De zwaarste sterren zijn 200-300 keer zwaarder dan de zon. In de regel overschrijdt de massa van een zwart gat afkomstig van een ster deze orde van grootte niet. Aan de andere kant van de schaal bevinden zich superzware zwarte gaten - ze zijn honderdduizenden of zelfs tientallen miljarden keren zwaarder dan de zon. Meestal bevinden dergelijke monsters zich in de actieve centra van grote sterrenstelsels en hebben ze een beslissende invloed op hen. Ondanks het feit dat de oorsprong van superzware zwarte gaten ook veel vragen oproept, zijn er tot op heden genoeg van dergelijke objecten (meer strikt - kandidaten voor hen) ontdekt om niet aan hun bestaan te twijfelen.
Promotie video:
In het centrum van de Melkweg, op een afstand van 7,86 kiloparsecs van de aarde, bevindt zich bijvoorbeeld het zwaarste object in de Melkweg - het superzware zwarte gat Boogschutter A *, dat meer dan vier miljoen keer zwaarder is dan de zon. In het nabije grote sterrenstelsel is de Andromedanevel een nog zwaarder object: een superzwaar zwart gat, dat waarschijnlijk 140 miljoen keer zwaarder is dan de zon. Astronomen schatten dat over ongeveer vier miljard jaar een superzwaar zwart gat uit de Andromedanevel er een uit de Melkweg zal inslikken.
Middelgrote massa zwart gat (kunstenaar ingebeeld)
Afbeelding: CfA / M. Weiss
Dit mechanisme wijst op de meest waarschijnlijke manier waarop gigantische zwarte gaten ontstaan: ze absorberen eenvoudig alle materie om hen heen. De vraag blijft echter: bestaan er in de natuur zwarte gaten met tussenliggende massa's - tussen stellair en superzwaar? Waarnemingen van de afgelopen jaren, waaronder die gepubliceerd in het recente nummer van het tijdschrift Nature, bevestigen dit. In de publicatie rapporteerden de auteurs de ontdekking van een waarschijnlijke kandidaat voor middelzware zwarte gaten in het centrum van bolvormige sterrenhoop 47 Toucan (NGC 104). Volgens schattingen is het ongeveer 2,2 duizend keer zwaarder dan de zon.
Cluster 47 Toucan bevindt zich 13 duizend lichtjaar van de aarde in het sterrenbeeld Toucan. Deze reeks door zwaartekracht gebonden armaturen onderscheidt zich door zijn hoge leeftijd (12 miljard jaar) en extreem hoge helderheid onder dergelijke objecten (de tweede alleen na de omega Centauri). NGC 104 bevat duizenden sterren, beperkt tot een voorwaardelijke bol met een diameter van 120 lichtjaar (drie ordes van grootte kleiner dan de diameter van de schijf van de Melkweg). Ook in 47 Toucan zijn er ongeveer twintig pulsars - ze werden het belangrijkste object van onderzoek door wetenschappers.
Eerdere zoekopdrachten in het centrum van NGC 104 naar een zwart gat waren niet succesvol. Dergelijke objecten onthullen zichzelf op een indirecte manier, door de karakteristieke röntgenstralen die afkomstig zijn van de aanwasschijf eromheen, gevormd door het verwarmde gas. Ondertussen bevat het midden van NGC 104 bijna geen gas. Aan de andere kant kan een zwart gat worden gedetecteerd door zijn effect op de sterren die in de buurt ronddraaien - zoiets is mogelijk om Boogschutter A * te bestuderen. Maar zelfs hier stonden wetenschappers voor een probleem: het centrum van NGC 104 bevat te veel sterren om hun individuele bewegingen te kunnen begrijpen.
Parken radiotelescoop
Foto: David McClenaghan / CSIRO
Wetenschappers hebben geprobeerd om beide problemen te omzeilen, zonder de gebruikelijke methoden voor het detecteren van zwarte gaten op te geven. Ten eerste analyseerden astronomen de dynamiek van de sterren van de hele bolhoop als geheel, en niet alleen de sterren die zich dicht bij het centrum bevinden. Om dit te doen, gebruikten de auteurs gegevens over de dynamiek van de armaturen van 47 Toucan, verzameld tijdens observaties door het Australische Parkes radio-observatorium. De wetenschappers gebruikten de verkregen informatie voor computermodellering in het kader van het zwaartekrachtprobleem van N-lichamen. Het toonde aan dat er iets in het centrum van NGC 104 is dat qua kenmerken lijkt op een middelgroot zwart gat. Dit was echter niet voldoende.
De onderzoekers besloten hun bevindingen te testen op pulsars - compacte overblijfselen van dode sterren, waarvan astronomen de radiosignalen vrij goed hebben leren volgen. Als NGC 104 een middelgroot zwart gat bevat, kunnen pulsars niet te dicht bij het centrum van 47 Toucan worden gelokaliseerd - en vice versa. Zoals verwacht door de auteurs, werd het eerste scenario bevestigd: de locatie van de pulsars in NGC 104 correleert goed met het feit dat er een zwart gat met gemiddelde massa in het midden van de cluster is.
De auteurs zijn van mening dat dit soort zwaartekrachtobjecten zich in de centra van andere bolvormige sterrenhopen kunnen bevinden - waarschijnlijk waar ze al of nog niet worden gezocht. Dit vereist een zorgvuldige afweging van elk van deze clusters. Welke rol spelen zwarte gaten van gemiddelde massa en hoe zijn ze ontstaan? Het is nog niet zeker. Ondanks de vele opties voor hun verdere evolutie, gelooft co-auteur Bulent Kiziltan dat "dit misschien wel de originele zaden zijn die uitgegroeid zijn tot de monsters die we vandaag in de centra van sterrenstelsels zien."
Yuri Sukhov
