Zderzenia gwiazd mogły odgrywać ważną rolę w powstawaniu czarnych dziur

W najbliższym otoczeniu Słońca kolizje gwiazd należą do niezwykle rzadkich zjawisk. Wynika to z ogromnych odległości dzielących te obiekty. Podobne warunki panują w wielu rejonach współczesnego Wszechświata. Obserwacje prowadzone za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba pozwalają jednak przyglądać się kosmosowi z czasów niedługo po Wielkim Wybuchu. Wśród badanych struktur znajdują się bardzo zwarte skupiska gwiazd, w których prawdopodobieństwo zderzeń mogło być znacznie większe niż dzisiaj.

Zespół astrofizyków z University of California, Los Angeles, przeprowadził symulacje, aby zbadać przebieg takich zdarzeń. Uzyskane wyniki wskazują, że gwiazdy we wczesnym Wszechświecie mogły gromadzić się na niewielkich obszarach i wielokrotnie ze sobą kolidować. Rezultat zderzenia zależał między innymi od prędkości gwiazd. Przy bardzo dużych prędkościach dochodziło do ich zniszczenia, natomiast wolniej poruszające się obiekty mogły się połączyć. Wyniki pracy opublikowano w serwisie arXiv.

Droga od połączonych gwiazd do supermasywnych czarnych dziur

Według przeprowadzonych symulacji kolejne kolizje mogły doprowadzić do utworzenia jednego obiektu o ogromnej masie, porównywalnej z łączną masą gwiazd należących do całej gromady. Po zakończeniu życia taki obiekt mógł zapaść się pod wpływem własnej grawitacji, tworząc masywną czarną dziurę.

Proponowany mechanizm może pomóc w wyjaśnieniu pochodzenia zalążków supermasywnych czarnych dziur, które osiągnęły duże masy już we wczesnym okresie istnienia Wszechświata.

Podobne środowisko można znaleźć w centrum Drogi Mlecznej, gdzie masywna czarna dziura znajduje się w otoczeniu gęstego skupiska gwiazd. Jej grawitacja wpływa na ruch pobliskich obiektów, zwiększając ich prędkość. W takich warunkach kolizje mogą kończyć się rozpadem gwiazd, a nie ich połączeniem. Powstały w ten sposób gaz uwalnia się do otaczającej przestrzeni.

Jak zauważają naukowcy, centrum naszej Galaktyki należy do nielicznych miejsc w pobliskim Wszechświecie, w których zderzenia gwiazd występują stosunkowo często. W zaproponowanym modelu gęste skupiska gwiazd otaczające czarne dziury o masach pośrednich pod pewnymi względami przypominają właśnie ten obszar Drogi Mlecznej.

Nadal nie wiadomo dokładnie, w jaki sposób powstały pierwsze supermasywne czarne dziury. Dotychczas zakładano, że rosły one stopniowo, jednak obserwacje wykonane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba wskazują, że obiekty o dużych masach istniały już stosunkowo krótko po Wielkim Wybuchu.

Zderzenia gwiazd były już wcześniej rozpatrywane jako jeden z możliwych sposobów powstawania czarnych dziur. Autorzy nowej pracy zestawili obserwacje, obejmujące między innymi tajemnicze „małe czerwone kropki” (ang. little red dots, LRD), z modelami teoretycznymi. Dzięki temu przeanalizowali możliwe scenariusze kolizji w gęstych gromadach oraz ich potencjalny związek z narodzinami supermasywnych czarnych dziur.

Czym są tajemnicze małe czerwone kropki?

„Małe czerwone kropki” to zwarte obiekty obserwowane we wczesnym Wszechświecie, które na zdjęciach astronomicznych wyglądają jak niewielkie czerwone punkty. Jedna z hipotez zakłada, że w ich centrach znajdują się czarne dziury szybko zwiększające swoją masę. Zgodnie z wynikami nowych symulacji mogą to być jednak gęste gromady gwiazd, w których częste zderzenia sprzyjają powstawaniu wyjątkowo masywnych gwiazd. Z czasem obiekty te mogłyby przekształcać się w czarne dziury.

Charakter „małych czerwonych kropek” wciąż jest intensywnie badany. Naukowcy analizują różne właściwości tych obiektów i przedstawiają odmienne wyjaśnienia ich natury. W nowej pracy zestawiono kilka podejść badawczych, aby dokładniej opisać możliwe mechanizmy odpowiedzialne za ich obserwowane cechy.

Obiekty pośrednie między gwiazdowymi a supermasywnymi czarnymi dziurami

Czarne dziury o masach pośrednich zajmują miejsce między czarnymi dziurami powstającymi po śmierci gwiazd a znacznie masywniejszymi obiektami znajdującymi się w centrach galaktyk. Ta grupa pozostaje słabo poznana, ponieważ obserwacje takich czarnych dziur są bardzo rzadkie. Przedstawiony model zakłada, że w ich powstawaniu mogły uczestniczyć gęste skupiska gwiazd.

Dlaczego we wczesnym Wszechświecie dochodziło do kolizji?

Warunki panujące w początkowym okresie istnienia Wszechświata różniły się od tych obserwowanych obecnie. Nie było jeszcze dużych galaktyk spiralnych przypominających Drogę Mleczną. Zamiast nich istniały obszary intensywnego formowania się gwiazd, w których mogły powstawać bardzo zwarte gromady.

W takich skupiskach gwiazdy zderzały się i łączyły, tworząc obiekty, z których mogły następnie powstawać czarne dziury. Wokół nich z czasem rozwijały się galaktyki. Wraz z rozszerzaniem się Wszechświata zmieniały się również panujące w nim warunki, a środowisko kosmiczne stopniowo upodabniało się do współczesnego.

Zdaniem astrofizyków wyniki analiz wskazują, że zwarte gromady gwiazd mogły zapewniać warunki sprzyjające powstawaniu masywnych zalążków czarnych dziur. Na późniejszy wzrost tych obiektów mogły wpływać również gwiazdy i gaz znajdujące się w ich otoczeniu.