Młode obiekty w sercu Galaktyki
Badacze kierowani przez Rodrigo P. Silvę z University of Coimbra ustalili, że młode gwiazdy znajdujące się wokół centralnej czarnej dziury Drogi Mlecznej mogły narodzić się w sposób znacznie mniej niezwykły, niż można byłoby przypuszczać. Jednocześnie oddziaływanie Sagittarius A* może wpływać na ich orbity, a także prowadzić do niszczenia układów gwiazdowych, w których uczestniczą. Wyniki pracy przedstawiono w czasopiśmie „Astronomy & Astrophysics”.
W niewielkiej odległości od Sagittarius A*, wynoszącej około 0,13 roku świetlnego, znajduje się skupisko gwiazd określane jako gromada S. Centralna supermasywna czarna dziura naszej Galaktyki ma masę około 4 milionów mas Słońca.
Szczególnie interesujące są należące do populacji gwiazdy typu widmowego B. Ich średni wiek to zaledwie kilka milionów lat. Tak blisko czarnej dziury ich formowanie się w standardowy sposób nie powinno być jednak możliwe. Potężne oddziaływanie grawitacyjne Sagittarius A* mogłoby bowiem doprowadzić do rozerwania obłoku gazowego jeszcze przed jego zapadnięciem i powstaniem gwiazdy. Problem ten określany jest przez astronomów jako „paradoks młodości” („paradox of youth”).
Jak mogły narodzić się gwiazdy gromady S
Autorzy badania rozpatrują dwa główne scenariusze dotyczące pochodzenia młodych gwiazd w gromadzie S. Pierwszy zakłada ich formowanie bezpośrednio w obecnym miejscu. Ich powstanie mogło mieć związek z silnym rozbłyskiem Sagittarius A*, do którego doszło około 6 milionów lat temu. Wytworzony wówczas wypływ mógł skompresować znajdujący się wokół gaz, powodując utworzenie powłoki, która później rozpadła się na fragmenty dające początek gwiazdom. Taki proces określa się jako fragmentację powłoki gazowej (gas-shell fragmentation).
Druga możliwość zakłada wcześniejsze powstanie gwiazd w większej odległości od centrum Galaktyki, a następnie ich przemieszczanie się do wewnątrz. W takim ujęciu mogły one narodzić się w położonej dalej, dobrze znanej strukturze dyskowej i stopniowo migrować w stronę jądra Galaktyki. Problemem dla tego scenariusza pozostają wysokie, a zarazem niemal losowe ekscentryczności orbit gwiazd gromady S. Trudno również wyjaśnić, dlaczego proces migracji miałby dotyczyć gwiazd typu widmowego B, ale nie gwiazd typu O oraz Wolfa-Rayeta.
Naukowcy rozważają także mechanizm Hillsa. W jego ramach układ podwójny zbliżający się do Sagittarius A* byłby rozrywany przez czarną dziurę. Jeden ze składników zostałby przechwycony, natomiast drugi zostałby wyrzucony i stałby się gwiazdą hiperprędkościową. Jednak gwiazdy znajdowane w pobliżu centrum Galaktyki w ten sposób są znacznie starsze od obiektów należących do gromady S. Ponadto taki mechanizm powinien prowadzić do niemal całkowitego braku układów podwójnych w tej strukturze. Nie zgadza się to z obserwacją D9, czyli układu podwójnego odkrytego niedawno w gromadzie.
Liczba układów podwójnych jako wskazówka
Istotne znaczenie ma również porównanie udziału układów podwójnych w gromadzie S z ich udziałem w innych młodych populacjach gwiazd. Z danych przywołanych przez autorów wynika, że około 69 ± 9 procent masywnych gwiazd znajdujących się poza gromadami w Galaktyce należy do układów podwójnych. W pobliżu Sagittarius A* wcześniejsze obserwacje wskazywały natomiast na niższą wartość. Odkrycie D9 stało się impulsem do ponownego przeanalizowania tego zagadnienia.
Astronomowie wyznaczyli więc dokładniej udział układów podwójnych wśród gwiazd gromady S. Otrzymany wynik wyniósł 43 ± 9 procent. Następnie sprawdzili za pomocą symulacji komputerowych, czy populacja powstała bezpośrednio w rejonie obecnego położenia mogłaby z czasem osiągnąć taką wartość. W tym celu przez 1 milion lat prześledzili zachowanie 100 tysięcy modelowych układów podwójnych.
W obliczeniach wykorzystano realistyczne orbity odpowiadające obserwowanym właściwościom gromady S. Początkową częstość występowania układów podwójnych ustalono na poziomie 69 procent, zgodnie ze standardową wartością obserwowaną wśród masywnych gwiazd. Następnie uwzględniono działanie grawitacji oraz sił pływowych wywoływanych przez czarną dziurę.
Dla każdego układu określono jeden z trzech możliwych rezultatów jego ewolucji. Para mogła pozostać układem podwójnym, obie gwiazdy mogły połączyć się w jeden obiekt albo układ mógł zostać rozdzielony.
Po zakończeniu symulacji 62 procent układów nadal istniało w niezmienionej formie, 18 procent doprowadziło do połączenia gwiazd, a w przypadku 20 procent doszło do rozpadu par. Na tej podstawie wyliczono, że końcowy udział układów podwójnych w populacji odpowiadającej gromadzie S wynosiłby około 38 ± 10 procent. Według autorów wartość ta pozostaje zgodna z wynikiem obserwacyjnym w granicach niepewności.
Zachowanie układów zależne od odległości
Kolejnym etapem analizy było sprawdzenie, jak udział układów podwójnych powinien kształtować się w różnych odległościach od Sagittarius A*. Otrzymane rezultaty odpowiadały wartościom uzyskiwanym w obserwacjach dla kolejnych odległości.
Wyniki analizy wskazują zatem, że młode gwiazdy mogły uformować się w bezpośrednim sąsiedztwie centrum Galaktyki, zamiast przemieszczać się tam z dalszych obszarów. Zdaniem badaczy zaobserwowane różnice w częstości występowania układów podwójnych mogą wynikać z oddziaływania Sagittarius A* na takie pary.
Autorzy badania wskazują na wspólny mechanizm powstawania gwiazd w analizowanym regionie. Spadek liczby układów podwójnych w pobliżu Sagittarius A* ma być przede wszystkim skutkiem coraz silniejszego działania sił pływowych, prowadzących do rozpadu tych układów. Rezultaty pozostają zgodne ze scenariuszem, w którym gwiazdy powstały w pobliżu centrum Galaktyki, na przykład wskutek fragmentacji powłoki gazowej.
Mariusz Drzewiecki
