Totalt stjernekollaps: usædvanligt stjernesystem viser, at stjerner kan dø i stilhed

En dag vil vores Sol begynde at udvide sig, til den er så stor, at den opsluger Jorden. Den vil blive mere og mere ustabil ind til den til sidst trækker sig sammen til et lille tæt objekt, der kaldes en hvid dværg.

Men havde Solen været i en vægtklasse ca. otte gange større eller derover, ville den sandsynligvis gå ud med et gigantisk brag. Som en supernova, ville dens kollaps kulminere i en eksplosion og sende energi og masse ud i verdensrummet med en enorm kraft, inden det efterlød en neutron stjerne eller et sort hul i sit sted.

Sådan lyder grundlæggende lærdom om tunge stjerners død, men der er fortsat meget at lære om stjernehimlen over os og disse stjerners spektakulære endeligt.

Ny forskning fra Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet præsenterer nu de hidtil stærkeste beviser for, at meget tunge stjerner kan ende deres dage langt mere hemmelighedsfuldt. Deres undersøgelser tyder på, at har en stjerne masse nok, når den dør, så kan tyngdekraften være så stærk, at eksplosionen slet ikke finder sted. I stedet gennemgår stjernen det totale kollaps.

”Vi tror stjernens kerne kollapser under sin egen vægt, som det sker for alle tunge stjerner i den sidste fase af deres levetid. Men i stedet for at sammentrækningen kulminerer i en supernova-eksplosion, der ville skinne kraftigere end sin egen galakse - ligesom det er forventet af stjerner med mere end otte så meget masse som Solen, så fortsætter kollapset indtil stjernen bliver til et sort hul, ” forklarer førsteforfatter Alejandro Vigna-Gómez, der var postdoc på Niels Bohr Instituttet, da forskningsprojektet blev sat i søen.

Opdagelsen hænger sammen med fænomenet forsvindende stjerner, som de senere år har interesseret astronomer, og kan måske levere både et klart eksempel og en troværdig naturvidenskabelig forklaring på denne type af fænomener.

”Hvis man oplevede at stå og kigge på en synlig stjerne, der gennemgik totalt kollaps, så ville det muligvis på det helt rigtige tidspunkt være som at se en stjerne, der pludselig slukker og forsvinder fra stjernehimlen. Kollapset er så komplet, at du ikke har en eksplosion, intet slipper væk og man ser ingen lysende supernova på nattehimlen. I nyere tid har astronomer faktisk observeret kraftigt lysende stjerner, der pludselig forsvinder. Uden at vi kan være sikre på en forbindelse, så bringer de resultater, som vi har fået af at analysere VFTS 243, os en helt del tættere på en troværdig forklaring,” siger Alejandro Vigna-Gómez.

Et helt usædvanligt stjernesystem uden tegn på eksplosion

Baggrunden for opdagelsen er et usædvanligt binært stjernesystem i udkanten af vores galakse, VFTS 243, hvor en stor stjerne og et sort hul ca. 10 gange tungere end Solen kredser om hinanden, der for nyligt blev observeret.

Forskerne har i årtier kendt til eksistensen af sådanne binære systemer af stjerner i Mælkevejen, hvor en af stjernerne er blevet et sort hul. Men den nylige opdagelse af VFTS 243, lige uden for Mælkevejen i den Store Magellanske Sky, er noget særligt.

”Normalt kan en supernova-begivenhed efterfølgende måles i stjernesystemer på forskellige måder, men på trods af at VFTS 243 indeholder en stjerne, der er kollapset til et sort hul, er sporene af en eksplosion ikke til stede. VFTS 243 er et helt usædvanligt system. Systemets kredsløb er næsten uændret siden kollapset af den ene stjerne til et sort hul," siger Alejandro Vigna-Gómez.

Forskerne har analyseret observationsdataene for en række tegn, som man ville forvente fra et stjernesystem, der har gennemgået en supernova-eksplosion. Generelt var beviserne for en sådan begivenhed i alle tilfælde få og ikke overbevisende.

Systemet viser ikke tegn på et signifikant "fødselspark," der er en acceleration af objekterne i kredsløbet. Kredsløbet er også meget symmetrisk, næsten perfekt cirkulært, og så peger tilbageværende tegn fra energifrigivelsen, da den tidligere stjernes kerne kollapsede, på en energitype, der stemmer overens med fuldstændig kollaps.

”Vores analyse tyder entydigt på er, at det sorte hul i VFTS 243 sandsynligvis blev dannet øjeblikkeligt, hvor energien primært gik tabt som neutrinoer,” siger professor Irene Tamborra fra Niels Bohr Instituttet, som også har medvirket i studiet.

Fixpunkt for fremtidige studier

Ifølge Irene Tamborra åbner VFTS 243 for at en række teorier og modelberegninger i astrofysikken endelig vil kunne holdes op mod virkeligheden med observationer af systemet. Hun forventer at systemet vil blive vigtigt for studier i stjerners udvikling og endeligt.

”Vores resultater fremhæver VFTS 243, som den hidtil bedste observerbare case for teorien om stellere sorte huller, der dannes gennem totalt kollaps, hvor supernova-eksplosionen fejler, og som vore modeller har vist som en mulighed. Det er et vigtigt virkelighed-tjek for de modeller, og vi forventer bestemt, at systemet vil blive et afgørende referencepunkt for fremtidig forskning i stjernes evolution og kollaps," lyder det fra professoren.

 

*

 

Ekstra Info: Ingen ”fødselsspark” og andre (manglende) spor fra en supernova

”Fødselssparket” er der ikke
En supernovas voldsomme kræfter påvirker direkte de nyfødte neutronstjerner eller sorte huller den efterlader, på grund af den asymmetriske frastødelse af materiale under eksplosionen. De får hvad forskerne kalder et ”fødselspark” eller natal kick på engelsk, som sender dem op i fart. Et fødselsspark vil normalt give neutronstjerner en målbar hastighed på 100- 1000 km i sekundet. For sorte huller forventes hastigheden at være mindre, men stadig markant.

Men VFTS 243-systemets sorte hul ser kun ud til at være accelereret til en hastighed på ca. 4 km/s, og viser dermed ikke tegn på at have modtaget det betydelige fødselspark, som forskerne ville forvente, hvis det havde gennemgået en supernova.

På samme måde vil symmetrien af et stjernesystems kredsløb, normalt vise tegn på, at det har været påvirket en voldsom supernova-eksplosion på grund af det materiale som udstødes. I stedet fandt forskerne symmetri.

”Kredsløbet i VFTS 243-systemet er næsten helt cirkulært og vores analyse har ikke fundet tegn på store asymmetrier under kollapset. Det tyder igen på, at der ikke har været en eksplosion,” siger Alejandro Vigna Gomez.

En energiudladning
Ved at analysere det binære stjernesystems kredsløb, har forskerholdet desuden været i stand til at beregne den mængde af masse og energi, som er blevet frigivet under dannelse af det sorte hul.

Deres beregninger stemmer overens med et scenarie, hvor det mindre "spark" som blev sendt afsted under stjernens kollaps ikke kom fra baryonisk stof (fx protoner og neutroner), men i stedet fra såkaldte neutrinoer. Neutrinoer har meget lidt masse og interagerer svagt. Det indikerer også at systemet ikke har oplevet en eksplosion.

Fakta: Sorte huller

Fra sorte huller undslipper end ikke lyset. Derfor kan de ikke observeres direkte. Nogle kan dog identificeres fordi den gas, der roterer omkring det udsender store mængder af energi. Andre som i tilfældet VFTS 243 kan observeres ved den påvirkning, som de har på stjerner de er i kredsløb med.

Forskerne mener, at der findes tre kategorier af sorte huller:

Stellare sorte hulller - VFTS 243-systemets - formes når stjerner med over mere end otte gange solens masse kollapser. Forskere mener der kan være så mange som 100 milioner i vores galakse alene.

Supertunge (`supermassive’) sorte huller: 100.000 – 10 milliarder gange Solens masse menes at befinde sig midten af næsten alle galakser. Midt i vores galakse, Mælkevejen findes Sagittarius A*.

Mellemstørrelse. Længe var kategorien af mellemstore sorte huller (100-100.000 gange solens masse) et ”missing link”, men de seneste år er en række kandidater blevet påvist med god troværdighed.

Der findes desuden teorie, der beskriver andre typer sortehuller, som forskerne forventer at finde. En er de såkaldte Primordiale sorte huller, som skulle være formet i det tidlige univers og teoretisk kan være mikroskopiske.

Fakta: Forsvindende stjerner

I moderne tid har der være mange observationer af stjerner, der på uforklareligvis forsvinder.

”A Survey about Nothing” som ledes af astrofysiker, Chris Kochanek et eksempel på det forskningsarbejde, der pågår og aktivt leder efter forsvindende stjerner og forklaringer på deres forsvinden.

Den nysgerrige læser kan dykke ned historiske beskrivelser. Disse har ofte at gøre med pludseligt lysende stjerner, der forsvinder foreneligt med supernova-scenarier. Men der findes også historier om stjerner, der pludselig forsvinder. Eksempelvis beskriver den græske myte forbundet med stjernehoben plejaderne syv døtre af titanen Atlas og nymfen Pleione. Myten fortæller, at den ene af døtrene giftede sig med et menneske og gik i skjul, hvilket i mytisk forstand forklarer, hvorfor vi kun ser seks stjerner i Plejaderne.

Om studiet: 

Studiet er udgivet i tidsskriftet Physical Review Letters: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.191403

Følgende har medvirket til forskningen

Alejandro Vigna-Gómez, Irene Tamborra, Hans-Thomas Janka, Daniel Kresse, Reinhold Willcox, Ilya Mandel, Mathieu Renzo, Tom Wagg, Julia Bodensteiner, Tomer Shenar, Thomas M. Tauris

Forskerne er affilieret med en række forskningeninstitutioner:

• Niels Bohr Instituttet, Københavns Universitet - International Academy og DARK
• Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching, Tyskland
• Institute of Astronomy, KU Leuven, Leuven, Belgien
• School of Physics and Astronomy, Monash University, Clayton, Australien
• The ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery - OzGrav, Australien
• Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute, New York, USA
• Steward Observatory, University of Arizona, Tucson, USA
• Department of Astronomy, University of Washington, Seattle, USA
• Technical University of Munich,
• TUM School of Natural Sciences, Physics Department, Garching, Tyskland
• European Southern Observatory, Garching, Tyskland
• The School of Physics and Astronomy, Tel Aviv University, Tel Aviv, Israel
• Aalborg Universitet