Vytvoření středně hmotných černých děr v hustých hvězdokupách

Průkopnická studie poskytuje čerstvé poznatky o původu středně hmotných černých děr (IMBH – Intermediate Mass Black Hole). Provedením vůbec prvních simulací jednotlivých hvězd ve formující se kulové hvězdokupě vědci identifikovali potenciální mechanismy, jejichž prostřednictvím by tyto husté hvězdokupy mohly vést ke vzniku IMBH. Nový výzkum využívá vůbec první simulace jednotlivých hvězd při formování kulových hvězdokup k prozkoumání potenciálních mechanismů formování středně hmotných černých děr.

Nová studie prokázala možný mechanismus vzniku středně hmotných černých děr v kulových hvězdokupách, které by mohly obsahovat desítky tisíc nebo dokonce miliony těsně poskládaných hvězd. Vůbec první simulace formování masivních kup hvězdy po hvězdě odhalily, že dostatečně hustá molekulární mračna, tzv. „porodní hnízda“ hvězdokup, mohou dát vzniknout velmi hmotným hvězdám, které se vyvinou v černé díry střední hmotnosti. Společný výzkum vedla Michiko Fujii z Tokijské univerzity a zjištění byla 30. května 2024 zveřejněna v časopise Science.

Teoretické důkazy pro IMBH

„Předchozí pozorování naznačovala, že některé masivní hvězdokupy (kulové hvězdokupy) hostí černou díru střední hmotnosti (IMBH),“ vysvětluje Michiko Fujii motivaci výzkumného projektu. „IMBH je černá díra o hmotnosti 100-10 000 hmotností Slunce. Dosud neexistují žádné silné teoretické důkazy, které by prokázaly existenci IMBH s hmotností 1 000 až 10 000 slunečních hmotností ve srovnání s méně hmotnými hvězdnými černými dírami a superhmotnými černými dírami.“

Simulační výzvy a postřehy

Porodní hnízda mohou vykouzlit obrazy tepla a klidu. Ne tak s hvězdami. Kulové hvězdokupy se tvoří ve zmatku. Rozdíly v hustotě nejprve způsobí, že se hvězdy srazí a splynou. Jak hvězdy stále splývají a rostou, gravitační síly rostou s nimi. Opakované srážky hvězd v husté, centrální oblasti kulových hvězdokup se nazývají srážky na útěku. Mohou vést ke zrodu velmi hmotných hvězd s více než 1000 hmotnostmi Slunce. Tyto hvězdy by se mohly potenciálně vyvinout v IMBH.

Předchozí simulace již vytvořených hvězdokup však naznačovaly, že hvězdné větry odfouknou většinu jejich hmoty, takže jsou příliš malé. Aby vědci prozkoumali, zda mohou IMBH „přežít“, museli simulovat shluk, zatímco se ještě formoval.

„Simulace tvorby hvězdokupy byly náročné,“ říká Fujii. „Poprvé jsme úspěšně provedli numerické simulace formování kulových hvězdokup, modelování jednotlivých hvězd. Rozlišením jednotlivých hvězd s realistickou hmotností pro každou z nich bychom mohli rekonstruovat srážky hvězd ve stísněném prostředí. Pro tyto simulace jsme vyvinuli nový simulační kód, do kterého bychom mohli integrovat s vysokou přesností miliony hvězd.“

Budoucí směry výzkumu

V simulaci vedly útěkové srážky skutečně ke vzniku velmi hmotných hvězd, které se vyvinuly v černé díry střední hmotnosti. Výzkumníci také zjistili, že hmotnostní poměr mezi shluky a IMBH odpovídal pozorování, která původně motivovala projekt.

„Naším konečným cílem je simulovat celé galaxie pomocí rozlišení jednotlivých hvězd,“ poukazuje Fujii na budoucí výzkum. „Stále je obtížné simulovat galaxie o velikosti Mléčné dráhy pomocí rozlišení jednotlivých hvězd pomocí aktuálně dostupných superpočítačů. Bylo by však možné simulovat menší galaxie, jako jsou trpasličí galaxie. Chceme se také zaměřit na první hvězdokupy vytvořené v raném vesmíru. První shluky jsou také místa, kde se mohou zrodit IMBH.“

Zdroj: https://scitechdaily.com/cosmic-forge-the-creation-of-intermediate-mass-black-holes-in-dense-star-clusters/

autor: František Martinek