Αστρικά Σμήνη σε Γαλαξιακούς Πυρήνες (Nuclear Star Clusters)

Εργοστάσια των πιο λαμπρών εκρήξεων στο Σύμπαν από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες

Εδώ και τουλάχιστον 100 χρόνια γνωρίζουμε για την ύπαρξη γαλαξιών πέρα του δικού μας, ενώ τα τελευταία 60 χρόνια για την ύπαρξη των ενεργών γαλαξιακών πυρήνων (ΕΓΠ/AGN), έντονες εκπομπές από τα κέντρα των γαλαξιών που δεν έχουμε την ευκρίνεια να ξεχωρίσουμε τη δομή τους. Οι ΕΓΠ είναι κοινώς αποδεκτό ότι είναι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που παράγουν την ακτινοβολία τους μέσω της προσαύξησης υλικού το οποίο ακτινοβολεί όταν πέφτει προς τη μαύρη τρύπα, με πιο έντονες εκπομπές στο οπτικό-υπεριώδες και τις ακτίνες Χ . Την ίδια στιγμή, γνωρίζουμε ότι τα αστέρια εκπέμπουν στο οπτικό το μεγαλύτερο μέρος της ακτινοβολίας τους. Ένας σκεπτόμενος παρατηρητής θα μπορούσε να ρωτήσει: πως ξεχωρίζουμε τα αστέρια από αυτήν την ακτινοβολία στα κέντρα των γαλαξιών; Η κύρια διαφορά εντοπίζεται στο φάσμα των δυο πηγών (τη φωτεινότητα σε διαφορετικά μήκη κύματος), και της εκπληκτικά υψηλής φωτεινότητας των ΕΓΠ συγκριτικά με τις εγγύτερες περιοχές που περιγράφονται από τα αστέρια του γαλαξία. Παρόλα αυτά στην απουσία φάσματος (φωτομετρία), θεωρητικά η υψηλή φωτεινότητα στο μη διακριτό κέντρο του γαλαξία θα μπορούσε να προέρχεται μόνο από αστέρια που βρίσκονται με κάποιο τρόπο συγκεντρωμένα σε πολύ μικρό όγκο. Εντυπωσιακά, δεκαετίες μετά την ανακάλυψη των ΕΓΠ (ανακάλυψη από  [1] πριν 40 χρόνια, καθιέρωση από [2]), λόγο της νέας υψηλής ποιότητας φωτογραφικών πλακών στην αστροπαρατήρηση, μπορέσαμε να βρούμε περιπτώσεις οπού τα κέντρα των γαλαξιών αντί για μια “λαμπρή” μαύρη τρύπα, είχαν ένα συμπαγές αστρικό σμήνος, σαν έναν σβώλο (nugget) άστρων που ξεχωρίζει πάνω από τον κανονικό γαλαξία.

Οι μαύρες τρύπες και τα κεντρικά σμήνη αποτελούν τα συμπαγή γαλαξιακά αντικείμενα, αλλά οι σχέση τους δεν είναι ακόμα πλήρως κατανοητή.

Σήμερα γνωρίζουμε ότι οι περισσότεροι γαλαξίες μικρότεροι του δικού μας έχουν ένα τέτοιο συμπαγές αστρικό σμήνος [3], ενώ ταυτόχρονα οι μεγαλύτεροι γαλαξίες,  παρατηρούνται με υπερμεγέθη μαύρες τρύπες, αλλά κατά πλειοψηφία χωρίς την παρουσία κεντρικών σμηνών. Παρόλο που πολλοί γαλαξίες έχουν κεντρικά σμήνη και μαύρη τρύπα, να σημειωθεί ότι είναι δύσκολο να ξεχωρίσουμε και τα δυο μαζί όταν η διαφορά της μάζας τους είναι πολύ μεγάλη, οπότε δεν έχει αποκλειστεί ακόμα η πιθανότητα όλα τα μεγάλα κεντρικά σμήνη να έχουν μαύρες τρύπες ή και το αντίστροφο. Βάσει των ηλικιών των αστεριών, νομίζουμε σαν αστροφυσικοί, ότι στους μικρούς γαλαξίες αυτά τα σμήνη δημιουργούνται από την παράσυρση σφαιρωτών σμηνών [4]  στο κέντρο των γαλαξιών, ενώ στους μεγάλους γαλαξίες υπάρχει κάποια μορφή έντονης αστρογέννησης μαζί με τον παραπάνω μηχανισμό [5].  Όσον αφορά την καταστροφή τους, προσομοιώσεις έχουνε δείξει ότι τα σμήνη καταστρέφονται από τη χρονοβόρα σύγκρουση μαύρων τρυπών [6] και αυτό γίνεται κυρίως στους πιο μεγάλους γαλαξίες στους οποίους και υπάρχουν συχνές συγκρούσεις γαλαξιών, άρα και μαύρων τρυπών. Παρόλα αυτά, αυτές οι θεωρίες χρειάζονται περαιτέρω επιβεβαίωση μέσω παρατηρήσεων.

Αυτοί οι σβώλοι είναι τα πιο πυκνά αστρικά συστήματα στο σύμπαν, και πολλές φορές μοιάζουν σαν πακτωμένα σφαιρωτά σμήνη. Τα αστέρια είναι τόσο κοντά (χιλιάδες αστέρια μπορούν να βρίσκονται σε κλίμακες όσο αυτή του ηλιακού μας συστήματος!) οι συγκρούσεις αστεριών από αδύνατες γίνονται συχνές. Σε τόσο εξαιρετικές συνθήκες, περιμένουμε φυσικά και οι μαύρες τρύπες να επηρεάζονται. Για παράδειγμα, τα μέρη αυτά έχουν συνδεθεί τα τελευταία χρόνια θεωρητικά  [7,8] με τα μέρη που προκύπτουν συχνά επεισόδια παλιρροϊκής διαταραχής (tidal disurption events, TDEs)  άστρων γύρω από μαύρες τρύπες (εσωτερικές αναφορές).

Αυτό το φαινόμενο, που ανακαλύψαμε σχετικά πρόσφατα, μπορεί να προσφέρει πληροφορίες για τα κεντρικά σφαιρωτά σμήνη που δεν μπορούμε να διακρίνουμε στους μακρινούς γαλαξίες. Αυτό είναι δεν είναι σύμπτωση, καθώς αυτές τα TDEs είναι και οι πιο ενεργητικές που μπορούμε να διακρίνουμε στο σύμπαν (πέρα από κάποιες δεκάδες σπάνιες υπέρλαμπρες εκρήξεις υπερκαινοφανών), άρα και μπορούμε να τα δούμε πολύ μακρυά ή ισοδύναμα σε νωρίτερες ηλικίες τους Σύμπαντος (όταν ήταν 8 δισεκατομμύρια χρόνια νεότερο). Με τη στατιστική των 100 μετρημένων τέτοιων εκρήξεων, και των χιλιάδων που θα παρατηρηθούν σε μερικά χρόνια με το νέο πείραμα LSST του Vera Rubin Observatory. Με αυτόν τον τρόπο, θα μπορούμε να βρούμε και τις ιδιότητες των άστρων και των μαύρων τρυπών που καταστρέφουν τα άστρα αυτά μέσω της  πληροφορίας που εμπεριέχεται στα φάσματα αυτών των φαινομένων. Με αυτή την πληροφορία και τη θεωρητική κατανόηση των TDEs, θα μπορούμε να κατανοήσουμε τις ιδιότητες των κεντρικών αστρικών σμηνών (κεντρική πυκνότητα, μεταλλικότητα, αριθμός πολλαπλών συστημάτων κτλ), άλλοτε μη προσβάσιμες με κοινές μεθόδους (απλή φωτογράφηση ή φασματοσκοπία) στα κέντρα των γαλαξιών [8]. Αντίστροφα, κοντινά συστήματα με μαύρες τρύπες και κεντρικά σμήνη  (όπως το κέντρο του γαλαξία μας) μπορεί να λειτουργήσουν σαν στόχοι για να βρούμε υπολείμματα προηγούμενων TDEs ή την ιδιαιτερότητα των γαλαξιών που παράγουν με μεγάλη συχνότητα αυτά τα φαινόμενα [9].

Πηγές

[1]: Neumayer 2020: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020A&ARv..28….4N/abstract

[2]: Caldwell 1983: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1983AJ…..88..804C/abstract  

[3]: Kormendy &; Djorgovski 1989: .https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1989ARA%26A..27..235K/abstract

[4]:Antonini  2013,  https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2013ApJ…763…62A/abstract

[5]: Fahrion 2024: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024A%26A…687A..83F/abstract

[6]: Merritt 2006: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2006ApJ…648..976M/abstract

[7]: Stone et al 2016: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020SSRv..216…35S/abstract

[8]:Polkas et al 2024: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2023arXiv231213242P/abstract

[9]: Hannah et al 2024: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024AJ….168..137H/abstract

[10]: Chang et al 2024: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024arXiv240709339C/abstract