Odkrycie DESI: Superszybka gwiazda powiązana z centralną czarną dziurą Drogi Mlecznej

Galaktyczny wygnaniec: Odkrycie DESI pozwala prześledzić drogę gwiazdy o wysokiej prędkości aż do centralnej czarnej dziury Drogi Mlecznej

Głęboko w sercu Drogi Mlecznej grawitacyjny taniec między układem podwójnym gwiazd a supermasywną czarną dziurą Sagittarius A* (Sgr A*) zakończył się gwałtownym wyrzutem. Miliony lat później astronomowie zidentyfikowali ocalałą z tego spotkania: gwiezdnego uchodźcę o nazwie DESI-312. Korzystając z najnowszych danych z instrumentu Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), zespół naukowców potwierdził, że gwiazda ta ucieka z Centrum Galaktyki z oszałamiającą prędkością prawie 700 kilometrów na sekundę. Odkrycie to, szczegółowo opisane w nowym badaniu pod kierunkiem Manuela Cavieresa i międzynarodowego zespołu astrofizyków, zapewnia rzadkie, nieprzesłonięte niczym okno na skład chemiczny najbardziej niedostępnego regionu naszej galaktyki.

Odkrycie DESI-312

Identyfikacja DESI-312 stanowi znaczący kamień milowy w dziedzinie „archeologii galaktycznej”. Gwiazdy hiperprędkościowe (HVS) są wyjątkowo rzadkie; pomimo miliardów gwiazd w Drogi Mlecznej, zidentyfikowano zaledwie kilkadziesiąt kandydatek, a jeszcze mniej udało się definitywnie powiązać z Centrum Galaktyki. Odkrycie było możliwe dzięki pierwszemu zbiorowi danych (DR1) przeglądu DESI, który dostarcza wysokiej jakości spektroskopię dla milionów obiektów niebieskich. Łącząc dane spektroskopowe DESI z precyzyjną astrometrią z misji Gaia, badacze byli w stanie nakreślić pełną sześciowymiarową trajektorię gwiazdy w przestrzeni fazowej, obejmującą jej pozycję i prędkość w 3D.

Badanie, którego autorami są Manuel Cavieres, Sergey E. Koposov, Elena Maria Rossi oraz koledzy z Uniwersytetu w Lejdzie, Uniwersytetu w Edynburgu i Uniwersytetu w Cambridge, podkreśla precyzję wymaganą do dokonania takiego znaleziska. „Wykorzystując spektroskopię z DESI i astrometrię z Gai, przeprowadziliśmy sześciowymiarowe poszukiwania HVS i zidentyfikowaliśmy przekonującą kandydatkę... której trajektorię można z dużą pewnością prześledzić wstecz do Centrum Galaktyki” – zauważają badacze. W przeciwieństwie do wielu innych gwiazd o wysokich prędkościach, które poruszają się chaotycznie przez halo, ścieżka DESI-312 wskazuje niczym strzała bezpośrednio na sąsiedztwo Sgr A*, czarnej dziury o masie czterech milionów Słońc znajdującej się w jądrze naszej galaktyki.

Mechanizm Hillsa: Kosmiczna proca

Mechanizm odpowiedzialny za tak ekstremalne prędkości znany jest jako mechanizm Hillsa, zaproponowany przez astronoma Jacka Hillsa w 1988 roku. Proces ten zachodzi, gdy układ podwójny – dwie gwiazdy krążące wokół siebie – zbłądzi zbyt blisko supermasywnej czarnej dziury. Ogromne siły pływowe czarnej dziury mogą rozerwać taki układ. Jedna gwiazda zostaje schwytana na ciasną orbitę wokół czarnej dziury, podczas gdy jej towarzyszka zostaje wystrzelona na zewnątrz z niesamowitą prędkością, często przekraczającą prędkość ucieczki z galaktyki.

W przypadku DESI-312 naukowcy obliczyli prędkość wyrzutu na 698 (+35/−27) km/s. Prędkość ta jest zgodna z przewidywaniami mechanizmu Hillsa, co potwierdza, że gwiazda została prawdopodobnie „kopnięta” przez Sgr A*. Choć niektóre gwiazdy mogą osiągać wysokie prędkości w wyniku eksplozji supernowych w układach podwójnych lub spotkań dynamicznych w gęstych gromadach gwiazd, te gwiazdy typu „runaway” rzadko osiągają prędkości obserwowane u DESI-312. Dane sugerują, że tylko spotkanie z supermasywną czarną dziurą mogło dostarczyć energii kinetycznej niezbędnej do wystrzelenia gwiazdy o masie Słońca do wewnętrznego halo w takim tempie.

Chemiczne tajemnice jądra galaktyki

Jednym z najbardziej uderzających aspektów DESI-312 jest jej sygnatura chemiczna. Analiza spektroskopowa wykazała, że gwiazda posiada „metaliczność nadsłoneczną”, ze stosunkiem żelaza do wodoru ([Fe/H]) wynoszącym 0,27 ± 0,09. Oznacza to, że gwiazda jest znacznie bogatsza w ciężkie pierwiastki niż nasze Słońce. Ten skład chemiczny jest kluczowym dowodem dotyczącym jej pochodzenia. Większość gwiazd znajdujących się w halo galaktycznym – zewnętrznych obrzeżach, gdzie obecnie przebywa DESI-312 – jest wiekowa i „uboga w metale”, ponieważ powstały one na wczesnym etapie historii wszechświata.

Gwiazda o wysokiej metaliczności, taka jak DESI-312, jest anomalią w halo, ale czuje się idealnie „u siebie” w Centrum Galaktyki. Jądro Drogi Mlecznej to region intensywnego powstawania gwiazd i wzbogacania chemicznego. Niosąc ze sobą ten chemiczny odcisk palca, DESI-312 działa jako „gwiezdny posłaniec”. Ponieważ Centrum Galaktyki jest mocno przesłonięte przez gęste chmury gazu i pyłu, astronomom niezwykle trudno jest zmierzyć obfitość pierwiastków w gwiazdach tam zlokalizowanych. DESI-312, uciekłszy z tej pyłowej zasłony, oferuje rzadką okazję do zbadania składu wewnętrznej części Galaktyki z znacznie wyraźniejszego punktu obserwacyjnego w halo.

Mapowanie drogi ucieczki

W swojej analizie Cavieres i jego zespół skrupulatnie wykluczyli alternatywne miejsca narodzin gwiazdy. Rozważali, czy DESI-312 mogła zostać wyrzucona z dysku galaktycznego lub z gromady kulistej. Jednak energia orbitalna gwiazdy i jej specyficzny profil chemiczny nie pasowały do tych scenariuszy. Gwiazdy wyrzucone z dysku zazwyczaj mają niższe prędkości i inne proporcje pierwiastków, podczas gdy gromady kuliste składają się zazwyczaj z o wiele starszych, ubogich w metale populacji.

Analiza trajektorii pokazuje, że DESI-312 znajduje się obecnie w „wewnętrznym halo”, co oznacza, że nadal jest grawitacyjnie związana z Drogą Mleczną, aczkolwiek na bardzo wydłużonej orbicie. Czyni ją to „związaną” gwiazdą hiperprędkościową. Choć może ona nie opuścić galaktyki całkowicie, jej podróż z obszarów subparsekowych wokół Sgr A* do obecnej lokalizacji oddalonej o tysiące lat świetlnych pozwala naukowcom zbadać „potencjał galaktyczny” – rozkład masy, w tym ciemnej materii, w całej Drogi Mlecznej. Ścieżka, którą obiera gwiazda, jest dyktowana przez grawitację wszystkiego, co mija, co czyni DESI-312 szybką sondą badającą niewidzialną architekturę galaktyki.

Nowa klasa gwiazd hiperprędkościowych

Historycznie większość zidentyfikowanych HVS stanowiły masywne, gorące, niebieskie gwiazdy (typu A i B). Gwiazdy te żyją krótko, co zapewnia „zegar” dla ich czasu podróży, ale utrudnia szczegółową analizę atmosferyczną. DESI-312 jest inna. Jest to gwiazda o masie zbliżonej do masy Słońca, znajdująca się obecnie na ciągu głównym lub we wczesnej fazie gałęzi podolbrzymów. Jako gwiazda typu słonecznego posiada bardziej stabilną atmosferę, a jej linie widmowe są łatwiejsze do interpretacji, co pozwala na znacznie bardziej szczegółowy podział jej pierwiastków chemicznych.

Odkrycie to podkreśla rosnącą siłę przeglądu DESI. Podczas gdy misja Gaia zrewolucjonizowała nasze zrozumienie pozycji i ruchów gwiazd, samej Gai często brakuje głębi spektroskopowej do określenia chemii gwiazdy lub precyzyjnej prędkości radialnej dla słabszych obiektów. DESI wypełnia tę lukę, obserwując miliony gwiazd i dostarczając „trzeci wymiar” ruchu oraz „czwarty wymiar” historii chemicznej. W miarę jak kolaboracja DESI będzie publikować kolejne dane, astronomowie spodziewają się znaleźć więcej takich „galaktycznych wygnańców”, z których każdy opowiada inną historię gwałtownej przeszłości jądra naszej galaktyki.

Przyszłość archeologii galaktycznej

Odkrycie DESI-312 to dopiero początek tego, co naukowcy mają nadzieję nazwać złotą erą badań nad HVS. Wraz z nadejściem wieloobiektowych przeglądów spektroskopowych, takich jak DESI, WEAVE i 4MOST, oczekuje się, że katalog gwiazd o wysokich prędkościach wzrośnie z garstki anomalii do statystycznie istotnej populacji. Każde nowe odkrycie pomaga doprecyzować tempo, w jakim Sgr A* rozrywa układy podwójne, co z kolei pogłębia naszą wiedzę o gęstości gwiazd i czarnych dziur w Centrum Galaktyki.

Ponadto badanie tempa wyrzutów gwiazd takich jak DESI-312 dostarcza kluczowych danych do przewidywania innych zjawisk, takich jak zjawiska rozerwania pływowego (TDE) – gdzie gwiazda zostaje rozszarpana przez czarną dziurę – oraz emisji fal grawitacyjnych z procesów zacieśniania orbit układów o ekstremalnym stosunku mas (EMRI). Jak podsumowują Sergey E. Koposov i zespół, owi gwiezdni uciekinierzy to coś więcej niż tylko ciekawostki; są oni niezbędnymi narzędziami do zrozumienia najbardziej ekstremalnych środowisk w naszym wszechświecie. Na razie DESI-312 kontynuuje swoją samotną wędrówkę przez halo, będąc cichym świadkiem grawitacyjnego spotkania, które wydarzyło się miliony lat temu w samym sercu Drogi Mlecznej.