Forsiden Romvirksomhet Solsystemet Exoplaneter Liv i rommet Himmelbegivenheter Interstellare ferder
Artikkelarkiv Astroshow og foredrag For skoler Astrobutikken Linker Om oss


Supertunge urstjerner kan forklare superhull i galaksekjerner


27.04.22: I sentrum av galakser finnes enorme sorte hull med opptil flere milliarder ganger Solens masse. Hvordan disse sorte hullene har oppstått har alltid vært et mysterium, og enda merkeligere ble det da nye oppdagelser viser viste at noen av disse superhullene oppsto relativt kort tid etter Big Bang. Men nye beregninger viser at merkelige, supertunge stjerner kan være forklaringen!

av Knut Jørgen Røed Ødegaard

 

Kunstnerisk fremstilling av det fjerneste supertunge sorte hullet som noen gang er oppdaget. Dette sorte hullet er en del av en kvasar som fantes bare 690 millioner år etter Big Bang.
Illustrasjon: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science


Tidlig på 1960-tallet gjorde astronomene en forbløffende oppdagelse: blå, stjernelignende objekter befinner seg milliarder av lysår unna oss og sender ut formidable energimengder fra (astronomisk sett!) ekstremt små områder.

Disse såkalte kvasarene vakte stor interesse, og grundige undersøkelser viste etter hvert at de finnes i kjernen av fjerne galakser. Disse objektene klarer å sende ut 100 ganger mer energi enn hele Melkeveien med dens 400 milliarder stjerner og fra et område bare på størrelse med vårt solsystem! Det ble lansert en rekke teorier som søkte å forklare fenomenet, blant annet at det kunne dreie seg om stjerner med superstor masse – kanskje flere millioner ganger Solens.

Ved hjelp av nye generasjoner teleskoper og andre instrumenter både på bakken og i rommet oppdaget forskerne at kvasar-fenomenet skyldes supertunge sorte hull som slurper i seg store mengder stoff fra stjerner og planeter som kommer for nær og blir revet i filler.

Modell for en kvasar. I midten av en ung galakse befinner det seg et supertungt sort hull. Stoff virvler i en skive («Accretion Disk») inn mot hullet. Noe materiale skytes ut fra polområdene i form av to intense jetstråler.
Illustrasjon: B. Saxton, NRAO/AUI/NSF


En lang rekke supertunge sorte hull har blitt oppdaget og studert, og i 2019 fikk vi til og med et bilde: kjempehullet med 6,5 milliarder solmasser i galaksen M87 som befinner seg 55 millioner lysår fra oss.

Det første bildet av et sort hull! Superhullet befinner seg i sentrum av kjempegalaksen M87, 55 millioner lysår fra Jorden. Sett fra Jorden er diameteren på ringen like liten som lengden på et kredittkort på Månens overflate.
Foto: EHT Collaboration


Men hvordan oppsto superhullene?

Det finnes flere mulige forklaringer, blant annet kollaps av gigantiske urskyer som kan ha eksistert i de første galaksene, sorte hull dannet av mørk materie eller sammensmeltninger mellom små sorte hull dannet av tunge stjerner som eksploderte på slutten av sine korte liv.

Men disse teoriene har problemer med å forklare observasjonene, spesielt etter at det ble oppdaget at supertunge sorte hull fantes allerede 670–700 millioner år etter Big Bang (5 % av Universets nåværende alder).

Det hittil fjerneste kjente sorte hullet ble oppdaget i januar 2021, kalles J0313–1806, og med kosmologisk rødforskyvning z=7,64 befinner det seg litt over 13 milliarder lysår unna. Massen til det superstore sorte hullet som er «motoren» til J0313–1806, er hele 1,6 milliarder solmasser. Detaljerte spektroskopiske undersøkelser viser at gass som inneholder karbon og silisium virvler rundt hullet med nesten 20 % av lyshastigheten. Tilstedeværelsen av tyngre grunnstoffer viser at minst én generasjon med stjerner allerede på dette tidspunktet, noen hundre millioner år etter Big Bang, hadde rukket å eksplodere.

Et enormt sort hull i sentrum i en ellers normal, men fjern galakse vokser ekstremt fort. Det sorte hullet har nesten 7 milliarder ganger Solens masse og er derfor blant de største som er funnet. Derimot er galaksen det befinner seg i er ikke spesielt stor, avstanden er rundt 12 milliarder lysår.
Illustrasjon: M. Helfenbein, Yale University / OPAC


Hvordan dannes et tilstrekkelig stort frø?

For at superstore sorte hull skal kunne oppstå, viser moderne teorier at det trengs et ”frø” i form av et mindre sort hull, og dette må være omgitt av store mengder gass som sirkler innover og gradvis forsvinner inn i det voksende hullet.

I tilfellet med J0313–1806 befinner kvasaren seg i en galakse med svært intens stjernedannelse: Gass tilsvarende omtrent 200 ganger Solens masse blir hvert år (eller rettere: ble på det tidspunktet da lyset vi observerer ble sendt ut) omdannet til stjerner – det tilsvarende tallet i Melkeveien er for tiden rundt én solmasse! Vertsgalaksen til denne kvasaren inneholder støvskyer med rundt 70 millioner solmasser som bidrar til den intense stjernedannelsen. Kvasarens lysstyrke er 36 billioner ganger Solens, dvs. 1300 ganger lysstyrken til hele Melkevei-galaksen.

Men hvordan kan et sort hull ha vokst seg til 1,6 milliarder solmasser allerede 670 millioner år etter Big Bang? Teorier som foreslår at enorme, kalde gass-skyer kollapser har store problemer med å forklare giganthullene. Derimot ser det ut til at et frø-hull på minst 1000 solmasser kan være forklaringen. Dette må i sin tur være dannet av en stjerne med superstor masse – på engelsk supermassive star, forkortet SMS.

Kunstnerisk fremstilling av et voksende sort hull – en kvasar – som ses i sentrum av en fjern galakse. Kvasaren er det oransje objektet i midten av den store irregulære galaksen og består av en støvete smultringformet sky av gass og støv som er føde for det supertunge sorte hullet i midten. Mens det sorte hullet «spiser», varmes gassen og støvet opp og sender ut røntgenstråling (de hvite strålene på bildet). Bak kvasaren kan man se stjerner som dannes i klumper i hele galaksen. Lignende galakser, som også huser kvasarer, er synlig i bakgrunnen.
Illustrasjon: NASA


Mystiske førstegenerasjons-stjerner

Etter Big Bang inneholdt Universet hydrogen, helium og ørsmå mengder bor og litium, mens tyngre grunnstoffer var fullstendig fraværende. Dette hadde trolig store konsekvenser for de første stjernene som ble dannet da enorme og kjølige gass-skyer begynte å samle seg etter noen hundre millioner år og dannet de første proto-galaksene. Gass som kun inneholder hydrogen og helium er betydelig mer gjennomsiktig enn gassen som finnes i dagens univers, og som inneholder en varierende mengde av alle tyngre grunnstoffer (se nederst på denne linken om hvordan grunnstoffene er dannet).

Når en proto-stjerne er i ferd med å dannes, får den høy temperatur og begynner å stråle, og strålingen tiltar raskt når massen øker. Strålingen kan etter hvert dytte bort ny gass som er i ferd med å falle inn mot og bli en del av proto-stjernen. På denne måten hindres veksten, og stjernen får ikke noe særlig mer masse enn proto-stjernen allerede har oppnådd.

Men dersom gassen er spesielt gjennomsiktig vekselvirker ikke strålingen fra den varme proto-stjernen, og gass fortsetter å falle inn og øke massen til det som etter hvert kan bli en stjerne med svært stor masse.

Førstegenerasjons-stjernene kunne derfor oppnå virkelig stor masse – trolig hadde noen av disse masser på tusener eller titusener av solmasser! Med så store masser utviklet stjernene seg på en ganske annerledes måte enn dagens mer normale stjerner.

Nå har flere forskningsgrupper uavhengig av hverandre undersøkt hvordan denne typen supertunge stjerner dannes, utvikler seg og dør. Disse stjernene kan etter hvert suge til seg 10–100 solmasser eller mer pr. år og dermed få en svært rask masseøkning. I motsetning til «normalt» tunge som har svært høy overflatetemperatur og derfor er blå, holder overflatetemperaturen til de supertunge stjernene seg hele tiden nær 5000 grader (og nær forlengelsen av den såkalte Hayashi-linjen i Hertzsprung-Russell-diagrammet – posisjonen en fullt konvektiv stjerne har i dette diagrammet).

Mens levetiden til sollignende stjerner er rundt 10 milliarder år og levetiden til de mest masserike stjernene i dagens univers ligger på rundt 2,8 millioner år, er levetiden til de supertunge stjernene ned mot 700 år. Etter dette vil en såkalt generell-relativistisk instabilitet få hele stjernen til å kollapse til et sort hull. Men detaljerte beregninger viser at stjerner med rundt 55 500 solmasser eksploderer som en helt spesiell type langvarig og energirik supernova på grunn av eksplosiv kjernebrenning av helium (se under).

Når et hull-frø har oppstått, kan det fortsette å trekke til seg store mengder gass fra omgivelsene og vokse til de superstore sorte hullene som er observert i sentrum av galakser både nært og fjernt. Typisk kan slike hull vokse med 0,1–10 solmasser pr. år.

Stoffet som sirkler inn mot superstjernen (som skal bli «frøet» til superhullet), beveger seg i stor banefart rundt stjernen og treffer stjernens overflate fra siden. Gassen som faller inn i stjernen får derfor stjernen til å rotere raskere. Men siden stjernen har så stor masse, blåses og ristes noe av gassen bort igjen som følge av at ekstremt masserike stjerner er ustabile og mister rundt en tusendels solmasse pr. år i form av en intens stjernevind. Denne gassen er elektrifisert (og kalles plasma) og «henger derfor igjen» i stjernens magnetfelt. Dermed blir gassen som er på vei bort fra stjernen akselerert sidelengs, noe som bremser stjernens rotasjon. Noe tilsvarende skjer i mindre målestoff med mange andre stjerner, også Solen.

Dette er et viktig poeng, for dersom stjernen skulle bli tvunget til å rotere for fort, ville den rett og slett gått i oppløsning og SMSer vil ikke kunne oppstå!

En såkalt Parker-spiral viser bevegelsen til plasma som strømmer ut fra Solen (i midten) i form av solvinden. De to sirklene viser banene til hhv. Jorden og Mars, de røde linjene viser banen til solvind som beveger seg med 400 km/s, de gulene linjene tilsvarende for 2000 km/s. Siden plasma er tvunget til å følge magnetfeltlinjene, forårsaker solrotasjonen at plasmaet akselereres sideveis. . Dermed bremses solrotasjonen – andre typer stjerner bremses på samme måte.
Illustrasjon: NASA


Tyngdekollaps vekk fra vår verden

Når massen har nådd opp til mellom 200 000 og 300 000 solmasser, inntreffer en spesiell instabilitet som følge av generell relativitetsteori. Når massen til et objekt er ekstremt stor, blir tyngdekraften så intens at den bidrar i seg selv som en ekstra masse, og dermed skal det enda sterkere trykk-krefter til for å hindre stjernen i å kollapse under sin egen tyngde. Til slutt øker tyngdekraften raskere enn trykket kan motstå, og hele stjernen kollapser øyeblikkelig til et stort sort hull. Dette dramatiske fenomenet beskrives av Einsteins generelle relativitetsteori, og begrenser hvor ekstreme masser selv denne typen stjerner kan oppnå. Men fenomenet begrenser ikke massen til det sorte hullet som oppstår – «frøet» med 200 000 – 300 000 solmasser fortsetter å trekke til seg gass og vokser derfor raskt til å bli et klassisk supertungt sort hull!

Et objekt som kollapser til et sort hull lar seg ikke lenger observere og er utenfor vår rekkevidde. Vi kunne i prinsippet reist inn i hullet for å undersøke hva som hadde skjedd, men ville aldri kunne kommet ut igjen – objektet har forlatt vår verden selv om tyngdekreftene fra det sorte hullet fortsatt er svært merkbare!

Et superstort sort hull som trekker til seg enorme mengder gass fra omgivelsene. Klikk på bildet for å se animasjon.
Illustrasjon: NASA/CXC/April Hobart


Detaljerte studier viser altså at det finnes et unntak fra dette forløpet: Dersom massen når opp til rundt 55 500 solmasser, kan andre instabiliteter oppstå og forårsake at stjernen sprenger seg selv fullstendig i filler og danne en spesiell og svært langvarig type supernova – et fenomen som antas å være så lyssterkt at det kan observeres til virkelig store avstander med moderne instrumenter som for eksempel James Webb-romteleskopet. Beregninger viser at denne typen supernovaer har svært stor lysstyrke i 550 døgn (halvannet år). Men på grunn av den ekstreme rødforskyvningen (z ca. 15 eller mer) kan de være lyssterke og observerbare i flere tiår og derfor fremstå som vedvarende lyskilder i nærinfrarødt lys som Webb-teleskopet er i stand til å observere!

Dette er blant de mest energirike eksplosjonene i Universets historie, og eventuelle observasjoner av disse vil være en forskningsmessig revolusjon som vil kunne avklare et svært viktig spørsmål innenfor astrofysikk – nemlig hvordan de supertunge sorte hullene oppsto. Dermed avklares også opphavet til en rekke eksotiske og ekstreme fenomener som kvasarer, blazarer, radiogalakser osv.

Speilet kutt gjennom det indre av en simulert eksplosjon av en supertung stjerne med 55 500 solmasser ett døgn etter starten av eksplosjonen. Størrelsen tilsvarer på det tidspunktet omtrent Jordens bane rundt Solen.
Illustrasjon: K.-J. Chen


Klikk på “Liker” og få melding når nye saker legges ut!


MER INFORMASJON

Universität Heidelberg: Supermassive stars as seeds of supermassive black holes

Pressemelding fra Academia Sinica, Institute of Astronomy & Astrophysics, Taiwan: Hunting for the supermassive black hole seeds

Fagartikkel i MNRAS: Observational properties of a general relativistic instability supernova from a primordial supermassive star

sciencealert.com: For The First Time, We're Close to Seeing Supermassive Stars From The Early Universe

phys.org: Massive stars in the early universe may have been progenitors of super-massive black holes

Fagartikkel: General-relativistic instability in rapidly accreting supermassive stars: The impact of rotation

Fagartikkel: Maximally accreting supermassive stars: a fundamental limit imposed by hydrostatic equilibrium

Fagartikkel: The formation of supermassive black holes from Population III.1 seeds. I. Cosmic formation histories and clustering properties

Pressemelding fra Cardiff universitet: Breakthrough in deciphering birth of supermassive black holes

universetoday.com: Do Supermassive Black Holes Come From Supermassive Stars?

space.com: The most distant quasar ever found is hiding a seriously supermassive black hole?

Wikipedia-liste over de fjerneste kjente objektene i Universet

Kosmologisk avstandskalkulator

Flere saker om stjerner


Astro-romfartsshow

Våre astroshow sett av over 75 000!

“Out of Space”: Astro-romfartsshow

Forestillinger for skoleelever
Science fiction-trilogien Ad Astra

Opplev den første reisen til et annet solsystem, leting etter livsformer på exoplaneter og Solsystemets og menneskehetens fremtid!

Bøkene er rikt illustrert med flotte fargebilder.

Pluto – menneskehetens siste tilfluktssted!

- stjernereiser - exoplaneter - romheiser
- ormehull - multivers - liv i rommet
- fremtidsteknologi - intergalaktiske opplevelser
- astronomiske fenomener - galaksens fremtid
- krim


Av science fiction-forfatter Anne Mette Sannes
Mer info og bestilling

Filmen Vårt magiske univers

Nyt det vakreste billedmaterialet som noen gang er tatt av vårt fantastiske univers! Fikk terningkast 6 i bladet Astronomi.

Produsert og kommentert av Anne Mette Sannes & Knut Jørgen Røed Ødegaard Mer info
Våre nettsteder
astroevents.no Hovednettsted om Universet
svalbard2015.no Solformørkelsen 20. mars 2015
astrobutikken.no Bøker og filmer m.m.

Følg oss på facebook

Følg oss på facebook

 

 

Kontakt: Knut Jørgen Røed Ødegaard Tlf: 99 27 71 72 E-post: knutjo@astroevents.no Anne Mette Sannes Tlf. 97 03 80 50 E-post: amsannes@astroevents.no