Ένα μεγάλο άστρο δεν έγινε μαύρη τρύπα αλλά αστέρας νετρονίων

Πηγή: Chandra News, 2 Νοεμβρίου 2005

Αστρονόμοι ανέμεναν ότι ένα τεράστιο αστέρι στο σμήνος των άστρων Westerlund 1 έπρεπε να έχει καταρρεύσει σε μια μαύρη τρύπα. Όμως αυτό έγινε ένα αστέρι νετρονίων. Δεδομένου ότι αυτό το αστέρι είχε 40 φορές τη μάζα του ήλιου προτού να καταρρεύσει, έπρεπε να ήταν πρωταρχικά μια υποψήφια μαύρη τρύπα. Τότε γιατί κατέληξε ως αστέρι νετρονίων; Είναι πιθανόν το αστέρι να έχασε - με εκτοξεύσεις υλικού - το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του προς το τέλος της ζωής του, κι έτσι δεν υπήρχε τόσο υλικό για να σχηματιστεί μια μαύρη τρύπα.

Τα νέα αποτελέσματα πάρθηκαν από το παρατηρητήριο Chandra των ακτίνων X της NASA. Και αυτή η ανακάλυψη δείχνει ότι στη φύση είναι πιο δύσκολο να γίνουν οι μαύρες τρύπες από όσο προηγουμένως περιμέναμε.

Οι επιστήμονες βρήκαν αυτό το αστέρι νετρονίων -- μια πυκνή σφαίρα νετρονίων διαμέτρου, περίπου, 20 χιλιομέτρων που περιστρέφεται με εκπληκτική ταχύτητα -- σε μια εξαιρετικά νέα συστάδα αστεριών. Οι αστρονόμοι ήταν σε θέση να χρησιμοποιήσουν τις γνωστές ιδιότητες των άλλων αστεριών στο σμήνος για να συμπεράνουν ότι ο πρόγονος αυτού του αστεριού νετρονίων είχε τουλάχιστον 40 φορές τη μάζα του ήλιου

"Η ανακάλυψή μας δείχνει ότι μερικά από τα πιο ογκώδη αστέρια δεν καταρρέουν για να διαμορφώσουν μαύρες τρύπες όπως προβλέπονται, αλλά αντίθετα αστέρια νετρονίων", λέει ο Michael Muno, συνεργάτης του UCLA και επικεφαλής της εργασίας που πρόκειται να δημοσιευθεί στο Astrophysical Journal Letters.

Όταν τα πολύ ογκώδη αστέρια φτιάχνουν αστέρια νετρονίων και όχι μαύρες τρύπες, θα έχουν μια μεγαλύτερη επίδραση στη σύνθεση των μελλοντικών γενεών των αστεριών. Όταν το αστέρι καταρρέει για να διαμορφώσει το αστέρι νετρονίων, περισσότερο από το 95% της μάζας του, μεγάλο μέρος της οποίας είναι υλικό πλούσιο σε μέταλλα από τον πυρήνα του, επιστρέφει στο διάστημα γύρω από αυτό.

"Αυτό σημαίνει ότι τεράστια ποσά βαρέων στοιχείων επιστρέφουν πίσω στην κυκλοφορία και μπορούν να σχηματίσουν άλλα αστέρια και πλανήτες", εξηγεί ο J. Simon Clark, του Ανοικτού Πανεπιστημίου στο Ηνωμένο Βασίλειο.

Οι αστρονόμοι δεν καταλαβαίνουν καλά πόση μάζα πρέπει να έχει ένα αστέρι για να διαμορφωθεί μια μαύρη τρύπα κι όχι ένα αστέρι νετρονίων. Η πιο αξιόπιστη μέθοδος για τη μάζα του άστρου-προγόνου του είναι να αποδειχτεί ότι το αστέρι νετρονίων ή η μαύρη τρύπα είναι μέλος ενός σμήνους αστεριών, τα οποία είναι της ίδιας ηλικίας περίπου.

Επειδή τα πιο μεγάλα αστέρια εξελίσσονται γρηγορότερα από τα λιγότερο ογκώδη, η μάζα ενός αστεριού μπορεί να υπολογιστεί από το εάν είναι γνωστό το εξελικτικό στάδιό του. Τα αστέρια νετρονίων και οι μαύρες τρύπες είναι τα τελικά στάδια στην εξέλιξη ενός αστεριού, έτσι οι πρόγονοί τους πρέπει να είναι μεταξύ των πιο μεγάλων αστεριών στο σμήνος.

Ο Muno και οι συνάδελφοι του ανακάλυψαν ένα παλλόμενο αστέρι νετρονίων σε μια συστάδα αστεριών, γνωστή ως Westerlund 1. Αυτή η συστάδα περιέχει εκατό χιλιάδες ή και περισσότερα αστέρια σε μια περιοχή έκτασης 30 έτη φωτός μόνο, κάτι που δείχνει ότι όλα τα αστέρια γεννήθηκαν σε ένα ενιαίο επεισόδιο σχηματισμού αστεριών. Με βάση τις οπτικές ιδιότητες όπως η φωτεινότητα και το χρώμα μερικών από τα κανονικά αστέρια στη συστάδα, έγινε γνωστό ότι υπάρχουν άστρα με μάζες περίπου 40 ήλιων. Δεδομένου ότι ο πρόγονος του αστεριού νετρονίων έχει εκραγεί ήδη ως σουπερνόβα, η μάζα του άστρου πρέπει να είναι περισσότερο από 40 ηλιακές μάζες.

Στις εισαγωγικές σειρές μαθημάτων της αστρονομίας μερικές φορές διδάσκουν ότι τα αστέρια με περισσότερο από 25 ηλιακές μάζες γίνονται μαύρες τρύπες -- μια άποψη που ποτέ μέχρι σήμερα δεν έχει παρατηρηθεί για να το εξετάσουμε. Εντούτοις, μερικές θεωρίες επιτρέπουν σε τέτοια ογκώδη αστέρια να αποφύγουν να γίνουν μαύρες τρύπες. Παραδείγματος χάριν, οι θεωρητικοί υπολογισμοί από τον Alexander Heger του πανεπιστημίου του Σικάγου δείχνουν ότι τα εξαιρετικά ογκώδη αστέρια που εκτοξεύουν αρκετή μάζα κατά τη διάρκεια της ζωής τους, αφήνουν πίσω τους αστέρια νετρονίων όταν γίνονται σουπερνόβες. Υποθέτοντας έτσι ότι το αστέρι νετρονίων στο σμήνος Westerlund 1 είναι ένα από αυτά, υπάρχει ζήτημα από που να προέρχονται οι μαύρες τρύπες που παρατηρούνται στο Γαλαξία αλλά και άλλους γαλαξίες.

Άλλοι παράγοντες, όπως η χημική σύνθεση του αστεριού, το πόσο γρήγορα περιστρέφεται, ή η δύναμη του μαγνητικού πεδίου του μπορεί να υπαγορεύουν εάν ένα τεράστιο αστέρι αφήνει πίσω του ένα αστέρι νετρονίων ή μια μαύρη τρύπα. Η θεωρία για τα αστέρια της κανονικής χημικής σύνθεσης αφήνει ένα μικρό παράθυρο για τις αρχικές μάζες - περίπου μεταξύ 25 και κάπως λιγότερο από 40 ηλιακές μάζες - για το σχηματισμό των μαύρων οπών από την εξέλιξη των απλών τεράστιων αστεριών. Ο προσδιορισμός πρόσθετων αστεριών νετρονίων ή η ανακάλυψη μαύρων τρυπών στα νέα σμήνη αστεριών θα πρέπει περαιτέρω να περιορίσει τις μάζες και τις ιδιότητες των προγονικών άστρων νετρονίων και των μαύρων οπών.

Η εργασία που περιγράφηκε από το Muno βασίστηκε σε δύο παρατηρήσεις του Chandra στις 22 Μαΐου και 18 Ιουνίου του 2005.