DESI-ontdekking herleidt hogesnelheidsster naar centraal zwart gat van de Melkweg

Galactische verschoppeling: DESI-ontdekking traceert razendsnelle ster terug naar het centrale zwarte gat van de Melkweg

Diep in het hart van de Melkweg eindigde een gravitatie-dans tussen een dubbelstersysteem en het supermassieve zwarte gat Sagittarius A* (Sgr A*) in een gewelddadige uitstoting. Miljoenen jaren later hebben astronomen de overlevende van deze ontmoeting geïdentificeerd: een stellaire vluchteling genaamd DESI-312. Met behulp van de nieuwste gegevens van het Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) heeft een team van onderzoekers bevestigd dat deze ster het Galactisch Centrum ontvlucht met een verbazingwekkende snelheid van bijna 700 kilometer per seconde. Deze ontdekking, gedetailleerd in een nieuwe studie onder leiding van Manuel Cavieres en een internationaal team van astrofysici, biedt een zeldzaam, ongehinderd zicht op de chemische samenstelling van de meest ontoegankelijke regio van ons sterrenstelsel.

De ontdekking van DESI-312

De identificatie van DESI-312 vertegenwoordigt een belangrijke mijlpaal op het gebied van de "Galactische archeologie". Hypervelocity-sterren (HVS'en) zijn uitzonderlijk zeldzaam; ondanks de miljarden sterren in de Melkweg zijn er slechts enkele tientallen kandidaten geïdentificeerd, en nog minder zijn definitief gekoppeld aan het Galactisch Centrum. De ontdekking werd mogelijk gemaakt door de eerste data release (DR1) van het DESI-onderzoek, die hoogwaardige spectroscopie biedt voor miljoenen hemelobjecten. Door de spectroscopische gegevens van DESI te combineren met de precisie-astrometrie van de Gaia-missie, waren onderzoekers in staat om een volledig zesdimensionaal faseruimte-traject voor de ster in kaart te brengen, inclusief de 3D-positie en 3D-snelheid.

De studie, geschreven door Manuel Cavieres, Sergey E. Koposov, Elena Maria Rossi en collega's van de Universiteit Leiden, de University of Edinburgh en de University of Cambridge, benadrukt de precisie die vereist is voor een dergelijke vondst. "Met behulp van spectroscopie van DESI en astrometrie van Gaia hebben we een zesdimensionale zoektocht naar HVS'en uitgevoerd en een overtuigende kandidaat geïdentificeerd... wiens gebonden traject met vertrouwen kan worden herleid naar het Galactisch Centrum", aldus de onderzoekers. In tegenstelling tot veel andere hogesnelheidssterren die willekeurig door de halo bewegen, wijst het pad van DESI-312 als een pijl terug naar de directe nabijheid van Sgr A*, het vier miljoen zonnemassa's tellende zwarte gat in de kern van ons sterrenstelsel.

Het Hills-mechanisme: Een kosmische katapult

Het mechanisme achter dergelijke extreme snelheden staat bekend als het Hills-mechanisme, voorgesteld door astronoom Jack Hills in 1988. Dit proces vindt plaats wanneer een dubbelstersysteem — twee sterren die om elkaar heen draaien — te dicht bij een supermassief zwart gat komt. De enorme getijdenkrachten van het zwarte gat kunnen het dubbelstersysteem uiteenrijten. Eén ster wordt gevangen in een nauwe baan om het zwarte gat, terwijl zijn metgezel met ongelooflijke snelheden naar buiten wordt geslingerd, vaak sneller dan de ontsnappingssnelheid van het sterrenstelsel.

Voor DESI-312 berekenden de onderzoekers een uitstotingssnelheid van 698 (+35/−27) km/s. Deze snelheid komt overeen met de voorspellingen van het Hills-mechanisme, wat bevestigt dat de ster waarschijnlijk een "schop" heeft gekregen van Sgr A*. Hoewel sommige sterren hoge snelheden kunnen bereiken door supernova-explosies in dubbelstersystemen of dynamische ontmoetingen in dichte sterrenhopen, bereiken deze "vluchtsterren" zelden de snelheden die bij DESI-312 zijn waargenomen. De gegevens suggereren dat alleen een ontmoeting met een supermassief zwart gat de kinetische energie zou kunnen leveren die nodig is om een ster met een massa vergelijkbaar met de zon met een dergelijke vaart de binnenste halo in te stuwen.

Chemische geheimen van de Galactische kern

Een van de meest opvallende aspecten van DESI-312 is zijn chemische signatuur. Spectroscopische analyse onthulde dat de ster een "supersolaire metalliciteit" bezit, met een ijzer-waterstof-verhouding ([Fe/H]) van 0,27 ± 0,09. Dit betekent dat de ster aanzienlijk rijker is aan zware elementen dan onze eigen zon. Deze chemische samenstelling is een cruciaal bewijsstuk met betrekking tot zijn oorsprong. De meeste sterren die in de Galactische halo worden gevonden — de buitenste regionen waar DESI-312 zich momenteel bevindt — zijn oud en "metaalarm", aangezien ze vroeg in de geschiedenis van het universum zijn gevormd.

Een ster met een hoge metalliciteit zoals DESI-312 is een anomalie in de halo, maar voelt zich perfect thuis in het Galactisch Centrum. De kern van de Melkweg is een gebied van intense stervorming en chemische verrijking. Door deze chemische vingerafdruk met zich mee te dragen, fungeert DESI-312 als een "stellaire boodschapper". Omdat het Galactisch Centrum zwaar aan het zicht wordt onttrokken door dikke wolken van gas en stof, is het voor astronomen notoir moeilijk om de chemische abundanties van de daar aanwezige sterren te meten. DESI-312, ontsnapt uit die stoffige sluier, biedt een zeldzame kans om de samenstelling van de binnenste Melkweg te bestuderen vanuit het veel duidelijkere uitkijkpunt van de halo.

De ontsnappingsroute in kaart brengen

In hun analyse sloten Cavieres en zijn team nauwgezet alternatieve geboorteplaatsen voor de ster uit. Ze onderzochten of DESI-312 uit de Galactische schijf of uit een bolvormige sterrenhoop gestoten had kunnen zijn. De baanenergie van de ster en zijn specifieke chemische profiel kwamen echter niet overeen met deze scenario's. Sterren die uit de schijf zijn uitgestoten, hebben doorgaans lagere snelheden en andere elementverhoudingen, terwijl bolvormige sterrenhopen over het algemeen bestaan uit veel oudere, metaalarme populaties.

De trajectanalyse laat zien dat DESI-312 zich momenteel in de "binnenste halo" bevindt, wat betekent dat hij nog steeds gravitatief gebonden is aan de Melkweg, zij het in een zeer langgerekte baan. Dit maakt het een "gebonden" hypervelocity-ster. Hoewel hij het sterrenstelsel misschien niet volledig zal verlaten, stelt zijn reis van de sub-parsec regio's rond Sgr A* naar zijn huidige locatie duizenden lichtjaren verderop wetenschappers in staat om de "Galactische potentiaal" te onderzoeken — de verdeling van massa, inclusief donkere materie, over de Melkweg. Het pad dat een ster aflegt, wordt bepaald door de zwaartekracht van alles wat hij passeert, waardoor DESI-312 een razendsnelle sonde is van de onzichtbare architectuur van het sterrenstelsel.

Een nieuwe klasse hypervelocity-sterren

Historisch gezien waren de meeste geïdentificeerde HVS'en massieve, hete, blauwe sterren (A- en B-type sterren). Deze sterren hebben een korte levensduur, wat een "klok" vormt voor hun reistijd, maar gedetailleerde atmosferische analyse moeilijk maakt. DESI-312 is anders. Het is een ster van ongeveer één zonnemassa die zich momenteel op de hoofdreeks of de vroege subreuzentak bevindt. Als een zonachtige ster is zijn atmosfeer stabieler en zijn zijn spectraallijnen gemakkelijker te interpreteren, wat een veel gedetailleerdere uitsplitsing van zijn chemische elementen mogelijk maakt.

Deze ontdekking onderstreept de groeiende kracht van het DESI-onderzoek. Hoewel de Gaia-missie een revolutie teweeg heeft gebracht in ons begrip van stellaire posities en bewegingen, ontbreekt het Gaia alleen vaak aan de spectroscopische diepte om de chemie van een ster of de precieze radiële snelheid van zwakkere objecten te bepalen. DESI vult dit gat door miljoenen sterren te observeren en de "derde dimensie" van beweging en de "vierde dimensie" van chemische geschiedenis te bieden. Terwijl de DESI-collaboratie gegevens blijft vrijgeven, verwachten astronomen meer van deze "Galactische verschoppelingen" te vinden, die elk een ander verhaal vertellen over de gewelddadige geschiedenis van de kern van ons sterrenstelsel.

De toekomst van de Galactische archeologie

De ontdekking van DESI-312 is slechts het begin van wat onderzoekers hopen dat een gouden tijdperk voor HVS-onderzoek zal worden. Met de komst van multi-object spectroscopische surveys zoals DESI, WEAVE en 4MOST zal de inventaris van hogesnelheidssterren naar verwachting groeien van een handvol anomalieën tot een statistisch significante populatie. Elke nieuwe ontdekking helpt de snelheid te bepalen waarmee Sgr A* dubbelstersystemen uiteenrijt, wat op zijn beurt ons begrip van de dichtheid van sterren en zwarte gaten in het Galactisch Centrum vergroot.

Bovendien levert het bestuderen van de uitstotingssnelheden van sterren zoals DESI-312 cruciale gegevens op voor het voorspellen van andere verschijnselen, zoals Tidal Disruption Events (TDE's) — waarbij een ster door een zwart gat wordt verscheurd — en de emissie van zwaartekrachtgolven door "extreme mass ratio inspirals" (EMRI's). Zoals Sergey E. Koposov en het team concluderen, zijn deze stellaire voortvluchtigen meer dan alleen curiositeiten; ze zijn essentiële instrumenten om de meest extreme omgevingen in ons universum te begrijpen. Voor nu vervolgt DESI-312 zijn eenzame tocht door de halo, een stille getuige van een gravitatieve ontmoeting die miljoenen jaren geleden plaatsvond in het hart van de Melkweg.