Kolik hmoty vytvoří černou díru?

ESO 034/10 tisková zpráva

Astronomové mají těžký úkol pro teoretiky.

Astronomům se díky použití dalekohledu ESO/VLT podařilo poprvé v historii ukázat, že magnetar – neobvyklý typ neutronové hvězdy – byl vytvořen při zániku hvězdy nejméně 40krát hmotnější než Slunce. Tento objev představuje nelehký úkol pro současné teorie vývoje hvězd, neboť ty předpovídají, že takto hmotný objekt se stane černou dírou a nikoliv magnetarem. Vyvstává tak závažná otázka, jak hmotná vlastně musí hvězda být, aby se stala černou dírou.

K tomuto závěru astronomové dospěli při podrobném studiu neobvyklé hvězdokupy Westerlund 1 [1], která se nachází 16 000 let od nás v jižním souhvězdí Oltáře (Ara). Na základě předchozích studií (eso0510) víme, že Westerlund 1 je nejbližší známou super-hvězdokupou. Obsahuje stovky velmi hmotných hvězd, z nichž některé září téměř jako 1 000 000 Sluncí a mají 2000krát větší průměr než Slunce (ve Sluneční soustavě by vyplnily oběžnou dráhu Saturnu). 
 
“Pokud by se Slunce nacházelo v centru této pozoruhodné hvězdokupy, noční obloha na Zemi by byla zaplněna stovkami hvězd jasných jako Měsíc v úplňku,” říká Ben Ritchie, vedoucí autor článku prezentujícího uvedené výsledky. 

Hvězdokupa Westerlund 1 je fantastické hvězdné ZOO s pestrou a exotickou populací hvězd. Jednu věc však mají tyto hvězdy společnou, a to stáří, které je odhadováno na 3,5-5 milionů let. Celá hvězdokupa totiž vznikla v rámci jediné mohutné epizody hvězdotvorby.

Magnetar (eso0831) je typ neutronové hvězdy s extrémním magnetickým polem, jež je milion miliardkrát silnější než magnetické pole Země a vzniká u některých hvězd při explozi supernovy. Ve hvězdokupě Westerlund 1 se nachází jeden z mála magnetarů, které v naší Galaxii známe. Na základě jeho příslušnosti k hvězdokupě vědci usoudili, že se musel vytvořit při kolapsu hvězdy minimálně 40krát hmotnější než Slunce.
  
Jelikož všechny hvězdy v hvězdokupě jsou stejně staré, musela mít hvězda, která explodovala a zanechala po sobě magnetar, kratší život než ostatní. “Délka aktivního života hvězdy je přímo závislá na její hmotnosti – čím větší má hmotnost, tím kratší život. Pokud tedy změříme hmotnosti dalších členů hvězdokupy, můžeme si být jisti, že hvězda zodpovědná za vznik magnetaru musela být hmotnější,” říká spoluautor a vedoucí celého týmu Simon Clark. “To je velmi významný výsledek, neboť v současnosti neexistuje akceptovaná teorie, jak tyto objekty s extrémním magnetismem vznikají.”
 
Proto astronomové zkoumali zákrytovou dvojhvězdu W13, neboť v gravitačně vázaném systému je možné přímo stanovit hmotnosti jednotlivých hvězd na základě měření periody oběhu.

Srovnáním s těmito hvězdami vědci odhadují, že předchůdce magnetaru musel mít hmotnost 40krát vyšší než Slunce. To naznačuje, že magnetary by mohly vznikat z hvězd, u kterých bychom při dané hmotnosti předpokládali, že vytvoří černou díru. Předpokládá se, že hvězdy s hmotností 10 až 25 Sluncí v závěru svého života mohou vytvořit neutronovou hvězdu a ty ještě hmotnější černou díru. 

“Tyto hmotné hvězdy se nutně musí zbavit až 9/10 své původní hmotnosti ještě předtím, než explodují jako supernova, jinak by totiž skončily jako černé díry,” říká spoluautor Ignacio Negueruela. “Ale takto významná ztráta hmoty před samotnou explozí představuje velmi těžký úkol pro současné teorie vývoje hvězd.”

“To ovšem také přináší palčivou otázku, jak hmotná musí být hvězda, aby při kolapsu vytvořila černou díru, když ani 40 hmotností k tomu nestačí,” uzavírá spoluautor Norbert Langer.

V současnosti preferovaný proces vzniku magnetaru předpokládá, že hvězda-předchůdce je složkou dvojhvězdy. Během vývoje dochází k vzájemné interakci složek a přenos kinetické energie oběžného pohybu vede k odvržení potřebného množství hmoty. V místě, kde se nachází studovaný magnetar, však v současnosti není pozorován žádný souputník. Výbuch supernovy tedy pravděpodobně vedl k rozpadu dvojhvězdy a k vymrštění jednotlivých složek vysokou rychlostí pryč z hvězdokupy.

“Pokud je tato úvaha správná, pak se zdá, že dvojhvězdy hrají klíčovou roli při vývoji hvězd, neboť řídí ztrátu hmoty v rámci závěrečné diety hmotných hvězd, která sníží jejich původní hmotnost až o 95 %,“ uzavírá Clerk.

Zdroj

 
Poznámky

[1] Otevřenou hvězdokupu Westerlund 1 objevil v roce 1961 z Austrálie švédský astronom Bengt Westerlund, který byl v letech 1970-1974 také ředitelem ESO v Chile. Hvězdokupa je ukryta za mohutným mezihvězdným oblakem plynu a prachu, který odstiňuje téměř veškeré viditelné světlo. Objekt se tak zdá 100 000krát slabší, a proto tedy trvalo tak dlouho, než byla odhalena pravá povaha hvězdokupy.

Westerlund 1 je unikátní přírodní laboratoří extrémní fyziky hvězd. Pomáhá vědcům odhalit, jak žijí a umírají ty nejhmotnější hvězdy v naší Galaxii. Na základě provedených pozorování astronomové odhadují, že hvězdokupa obsahuje asi 100 000krát více hmoty než Slunce a většina hvězd je nahuštěna v prostoru o průměru menším než 6 světelných let. Zdá se tedy, že Westerlund 1 je nejhmotnější kompaktní mladou hvězdokupou dosud identifikovanou v Galaxii.

Všechny hvězdy dosud zkoumané v rámci této hvězdokupy mají hmotnosti 30-40 Sluncí. A jelikož takto hmotné hvězdy mají v astronomickém měřítku velmi krátký život, musí být samotná hvězdokupa také velmi mladá. Astronomové určili její věk na 3,5-5 milionů roků a Westerlund 1 je tedy opravdová ‘novozrozená hvězdokupa’.    
 
Další informace

Výsledky výzkumu prezentované v tomto ESO Press Release vyjdou v časopise Astronomy and Astrophysics pod názvem “A VLT/FLAMES survey for massive binaries in Westerlund 1: II. Dynamical constraints on magnetar progenitor masses from the eclipsing binary W13” autorů B. Ritchie a kol. Stejný tým publikoval první část studie tohoto objektu již v roce 2006 pod názvem “A Neutron Star with a Massive Progenitor in Westerlund 1” autorů M. P. Muno a kol. (Astrophysical Journal, 636, L41).

Složení týmu: Ben Ritchie a Simon Clark (The Open University, UK), Ignacio Negueruela (Universidad de Alicante, Španělsko) a Norbert Langer (Universität Bonn, Německo; Universiteit Utrecht, Holandsko).

Ke studiu stálic ve hvězdokupě Westerlund 1 astronomové použili přístroj FLAMES na dalekohledu ESO/VLT (observatoř Paranal, Chile).

ESO (Evropská jižní observatoř) je hlavní mezinárodní astronomickou organizací Evropy a patří k nejproduktivnějším astronomickým observatořím světa. Je podporována 14 členskými státy, kterými jsou: Belgie, Česká republika, Dánsko, Finsko, Francie, Itálie, Německo, Nizozemí, Portugalsko, Rakousko, Španělsko, Švédsko, Švýcarsko a Velká Británie. ESO má za cíl vývoj, konstrukci a provoz výkonných pozemních astronomických zařízení, která umožní významné vědecké objevy. ESO také hraje přední roli při propagaci a organizaci mezinárodní spolupráce na poli astronomického výzkumu. ESO v současnosti provozuje tři observatoře světově úrovně: La Silla, Paranal a Chajnantor, které se nacházejí na poušti Atacama v Chile. Na Paranalu se nachází VLT (Very Large Telescope = Velmi velký dalekohled) – nejvyspělejší pozemní dalekohled pracující ve viditelném světle a VISTA, největší přehlídkový dalekohled pro infračervenou oblast na světě. Zároveň je ESO evropským zástupcem největšího astronomického projektu všech dob – teleskopu ALMA budovaného na planině Chajnantor. V současnosti ESO plánuje výstavbu Evropského extrémně velkého dalekohledu (E-ELT), který bude mít průměr primárního zrcadla 42 metrů. Měl by pracovat v infračerveném i viditelném oboru záření a stane se největším dalekohledem světa.

Odkazy

• Odborný článek
• Další informace: Black Hole Press Kit

Kontakty

Simon Clark; The Open University, UK; Tel: +44 207 679 4372; Email: jsc@star.ucl.ac.uk

Ignacio Negueruela; Universidad de Alicante; Alicante, Spain; Tel: +34 965 903400 ext 1152; Email: ignacio.negueruela@ua.es

Richard Hook; ESO, La Silla, Paranal and E-ELT Press Officer; Garching, Germany; Tel: +49 89 3200 6655; Email: rhook@eso.org

Překlad: Jiří Srba, Hvězdárna Valašské Meziříčí
Národní kontakt: Viktor Votruba +420 267 103 040; votruba@physics.muni.cz

autor: Jiří Srba