Jak se hvězda stala černou dírou, aniž by explodovala

Na přiloženém obrázku je umělecké ztvárnění, které ukazuje, jak by mohl vypadat binární systém VFTS 243 nacházející se v mlhovině Tarantule ve Velkém Magellanově mračnu, kdybychom jej pozorovali zblízka. Velikost obou složek dvojhvězdy neodpovídá měřítku: ve skutečnosti je modrá hvězda asi 200 000krát větší než černá díra. Všimněte si, že efekt „čočkování“ kolem černé díry je zobrazen pouze pro ilustraci, aby byl tento tmavý objekt na snímku lépe patrný.

Pozorování VFTS 243 poskytují důkaz, že černé díry mohou vznikat přímo ze zhroucení hmotných hvězd, aniž by tomu předcházela exploze supernovy.

Nově objevený dvojhvězdný systém v kombinaci s nejmodernějšími modely hvězdného kolapsu objasnil, jak vznikají černé díry s hvězdnou hmotností. Mezinárodní tým vědců z Institutu Maxe Plancka pro astrofyziku (MPA) a Niels Bohr Institute (NBI) na Kodaňské univerzitě nalezl důkaz, že masivní černé díry mohou vznikat bez dramatických explozí supernov, které jsou tradičně spojovány se zánikem hvězd. Místo toho je energie z kolapsu odnášena především lehkými neutrinovými částicemi s minimální asymetrií. Výsledkem je pouze malý „natální kopanec“ pro nově vzniklou černou díru.

Binární systémy s černými dírami
Astronomové již léta vědí o dvojhvězdných systémech v Mléčné dráze, kde je jedna hvězda spárována s černou dírou. „Objev dvojhvězdy s černou dírou VFTS 243 v sousedním Velkém Magellanově mračnu byl mimořádný a systém sám o sobě je pozoruhodný,“ říká Alejandro Vigna-Gómez, dříve postdoktorand na Niels Bohr Institute a nyní na Max Planck Institute for Astrophysics. VFTS 243 se skládá z masivní hvězdy, jejíž hmotnost je 25krát větší než hmotnost Slunce, a z černé díry o hmotnosti asi 10krát větší než hmotnost Slunce.

Výbuchy supernov a jejich dopad
Hvězdy, které jsou několikanásobně hmotnější než Slunce, často končí svůj život dramatickými výbuchy zvanými supernovy. Při těchto událostech se husté kovové jádro hvězdy zhroutí a uvolní obrovské množství energie, většinou ve formě neutrin. Vnější vrstvy hvězdy jsou pak prudce vymrštěny do vesmíru rychlostí stovek až tisíců kilometrů za sekundu. Tento vyvržený materiál, jehož hmotnost se může rovnat několikanásobku hmotnosti Slunce, vytváří v pozůstatcích exploze rozsáhlé asymetrie, pozorovatelné i dlouho po vzniku supernovy.

Tyto asymetrie a výtrysky hmoty přímo ovlivňují velmi hustý zbytek v jádře, nově vzniklou neutronovou hvězdu, která zažívá zpětný ráz – tzv. natální kopanec – který může prudce změnit její rychlost. Důkazů o těchto natálních kopech neutronových hvězd je dostatek, protože je pozorujeme, jak se pohybují velkými rychlostmi v celé Mléčné dráze. U nejhmotnějších známých kompaktních objektů, černých děr, však tyto natální kopy nejsou dobře známy. Takové hvězdné černé díry vznikají při kolapsu masivních hvězd, zejména když se exploze nezdaří a padající hmota se zhroutí sama na sebe.

Zkoumání vzniku černých děr bez explozí
Nedávný objev „mizejících“ hvězd naznačuje, že velká část kolabujících masivních hvězd tvoří černé díry bez exploze, kterou na rozdíl od jasných supernov nemůžeme pozorovat. Není však jasné, kolik hmoty tyto hvězdy během vzniku černé díry ztratí, ani jak velké jsou jejich natální kopy. Pokud se masivní hvězda přímo zhroutí do černé díry, nedochází k vyvržení žádné baryonové hmoty a energie se ztrácí převážně prostřednictvím neutrin. „VFTS 243 nám umožnila tento scénář otestovat,“ říká Alejandro Vigna-Gómez.

Poznatky z binárního systému VFTS 243
Tým prozkoumal scénář úplného kolapsu dvojhvězdy VFTS 243 s černou dírou, kde hvězda desetkrát hmotnější než Slunce ve své závěrečné fázi ukončila svůj životní cyklus implozí. Pomocí nejmodernějších modelů hvězdného kolapsu vyvinutých na MPA vypočítali účinky na dráhu dvojhvězdného systému během vzniku černé díry. Ve scénáři úplného kolapsu je obrovská gravitační vazebná energie uvolněná při vzniku černé díry odnášena výhradně slabě interagujícími, neutrálními a lehkými částicemi známými jako neutrina.

Závěr studie o vzniku černých děr
„Zkoumání fyzikálních procesů, které probíhají v nejhlubším nitru hroutících se hvězd, je nesmírně obtížné a možné pouze za zvláštních okolností,“ říká H.-Thomas Janka, teoretik supernov na MPA. „Černá díra pozorovaná v binárním systému VFTS 243 je takovým zvláštním případem,“ dodává Daniel Kresse, postdoktorand Jankovy skupiny. „Díky němu jsme mohli poprvé dojít k závěru, že neutrina jsou při kolapsu masivního progenitora za vzniku černé díry vyzařována téměř rovnoměrně do všech směrů.“

„Naše studie je ukázkovým příkladem synergie mezi teorií a pozorováním,“ uzavírá Vigna Gómez. „Spojení pokročilých numerických modelů hvězdného kolapsu s principy supernov ve dvojhvězdných systémech nám umožnilo získat zásadní poznatky o kompletním scénáři kolapsu, zejména prokázat, že masivní černé díry mohou vznikat bez exploze.“

Zdroj: https://scitechdaily.com/silent-giants-how-a-star-became-a-black-hole-without-exploding/ a https://www.mpa-garching.mpg.de/1097309/news240516

autor: František Martinek