Zánik hvězdy v galaxii v Andromedě znamená zrod černé díry bez exploze supernovy

Hmotné hvězdy, které jsou asi osmkrát hmotnější než Slunce, vybuchují na konci svého života jako supernovy. Tyto exploze, které za sebou zanechávají černou díru nebo neutronovou hvězdu, jsou tak energetické, že mohou na několik měsíců zastínit své hostitelské galaxie. Zdá se však, že astronomové spatřili masivní hvězdu, která explozi přeskočila a změnila se přímo v černou díru.

Hvězdy balancují mezi vnější silou fúze a vnitřní silou vlastní gravitace. Když masivní hvězda vstoupí do poslední fáze svého vývoje, začne jí docházet vodík a její fúze slábne. Vnější síla fúze již nemůže působit proti silné gravitaci hvězdy a hvězda se zhroutí sama do sebe. Výsledkem je výbuch supernovy, katastrofická událost, která hvězdu zničí a zanechá za sebou černou díru nebo neutronovou hvězdu. Zdá se však, že někdy tyto hvězdy nevybuchnou jako supernovy a místo toho se promění přímo v černé díry.

Nový výzkum ukazuje, že jedna masivní superobří hvězda s nedostatkem vodíku v galaxii v Andromedě (M31) nevybuchla jako supernova. Výzkum zveřejněný na preprintovém serveru arXiv nese název „The disappearance of a massive star marking a birth of a black hole in M31“ (Zánik masivní hvězdy znamenající zrod černé díry v M31). Hlavním autorem je Kishalay De, postdoktorand na Kavliho institutu pro astrofyziku a kosmický výzkum na MIT (Massachusetts Institute of Technology).

Tyto typy supernov se nazývají supernovy s rozpadem jádra, známé také jako supernovy typu II. Jsou poměrně vzácné, v Mléčné dráze se jedna objeví přibližně každých 100 let. Vědci se o supernovy zajímají, protože jsou zodpovědné za vznik mnoha těžkých prvků a jejich rázové vlny mohou spustit vznik hvězd. Vytvářejí také kosmické záření, které může dosáhnout Země.

Tento nový výzkum ukazuje, že supernovám možná nerozumíme tak dobře, jak jsme si mysleli. Dotyčná hvězda se jmenuje M31-2014-DS1. Astronomové si všimli jejího zjasnění ve střední infračervené oblasti (MIR) v roce 2014. Po dobu jednoho tisíce dní byla její jasnost konstantní. Poté po dalších tisíc dní v letech 2016 až 2019 dramaticky slábla. Je to proměnná hvězda, ale to nemůže vysvětlit tyto výkyvy. V roce 2023 nebyla při pozorování v hluboké optické a blízké infračervené oblasti (NIR) zjištěna.

Podle vědců se hvězda zrodila s počáteční hmotností asi 20 hmotností Slunce a do konečné fáze jaderného hoření dospěla s ekvivalentem asi 6,7 hmotnosti Slunce. Jejich pozorování naznačují, že hvězda je obklopena nedávno vyvrženou prachovou slupkou, což odpovídá výbuchu supernovy, ale neexistují žádné důkazy o optickém výbuchu.

„Dramatické a trvalé slábnutí hvězdy M31-2014-DS1 je v prostředí proměnnosti masivních vyvinutých hvězd výjimečné,“ píší autoři. „Náhlý pokles svítivosti M31-2014-DS1 ukazuje na zastavení jaderného hoření spolu s následným šokem, který nedokázal překonat vnikající materiál.“ Exploze supernovy je tak silná, že zcela překoná padající materiál.

„Vzhledem k tomu, že chybí jakýkoliv důkaz o zářivém výbuchu v takové blízkosti, pozorování M31-2014-DS1 svědčí o 'neúspěšném výbuchu' SN, který vede ke kolapsu hvězdného jádra,“ vysvětlují autoři. Co by mohlo způsobit, že hvězda neexploduje jako supernova, i když má správnou hmotnost pro výbuch?

Supernovy jsou složité události. Hustota uvnitř hroutícího se jádra je tak extrémní, že elektrony jsou nuceny spojovat se s protony, čímž vznikají neutrony i neutrina. Tento proces se nazývá neutronizace a vzniká při něm silný výboj neutrin, který nese asi 10 % energie klidové hmotnosti hvězdy. Tento výbuch se nazývá neutrinový šok.

Neutrina dostala svůj název podle toho, že jsou elektricky neutrální a jen zřídka interagují s běžnou hmotou. Každou sekundu projde asi 400 miliard neutrin ze Slunce přímo tělem každého člověka na Zemi. V hustém hvězdném jádru je však hustota neutrin tak extrémní, že některá z nich ukládají svou energii do okolního hvězdného materiálu. Tím se materiál zahřeje, což vyvolá rázovou vlnu.

Neutrinový šok se vždy zastaví, ale někdy ožije. Když ožije, způsobí výbuch a vyvrhne vnější vrstvu supernovy. Pokud se neoživí, rázová vlna selže a hvězda se zhroutí a vytvoří černou díru.

Ve hvězdě M31-2014-DS1 nebyl neutrinový šok oživen. Vědci byli schopni určit množství materiálu vyvrženého hvězdou, které bylo mnohem nižší než množství materiálu vyvrženého supernovou. „Tato omezení naznačují, že většina hvězdného materiálu (≳5 hmotností Slunce) se zhroutila do jádra, čímž překročila maximální hmotnost neutronové hvězdy (NS) a vytvořila černou díru,“ uzavírají vědci. Zhruba 98 % hmoty hvězdy se zhroutilo a vytvořilo černou díru o hmotnosti asi 6,7 hmotnosti Slunce.

M31-2014-DS1 není jedinou neúspěšnou supernovou nebo kandidátem na neúspěšnou supernovu, kterou astronomové objevili. Je obtížné je odhalit, protože se vyznačují spíše tím, co se nestane, než tím, co se stane. Supernovu je těžké přehlédnout, protože je velmi jasná a na obloze se objeví náhle. Starověcí astronomové jich zaznamenali několik.

V roce 2009 astronomové objevili jedinou další potvrzenou neúspěšnou supernovu. Jednalo se o červenou superhvězdu v galaxii NGC 6946. Dostala jméno N6946-BH1 a má hmotnost asi 25 hmotností Slunce. Poté, co zmizela z dohledu, po ní zůstala jen slabá infračervená záře. V roce 2009 se její svítivost zvýšila na milion slunečních svítivostí, ale v roce 2015 již v optickém světle zmizela.

Průzkum pomocí Velkého binokulárního dalekohledu sledoval 27 blízkých galaxií a pátral po mizejících masivních hvězdách. Výsledky naznačují, že 20 až 30 % masivních hvězd může ukončit svůj život jako neúspěšná supernova. Jedinými potvrzenými pozorováními jsou však M31-2014-DS1 a N6946-BH1.

Zdroj: https://phys.org/news/2024-11-star-andromeda-birth-black-hole.html a https://www.sciencenews.org/article/star-disappeared-failed-supernova

autor: František Martinek