Pressmeddelande

Vad krävs för att skapa ett svart hål?

Astronomer utmanar dagens teorier

18 augusti 2010

Med hjälp av ESO:s jätteteleskop VLT (Very Large Telescope) har europeiska astronomer för första gången bevisat att en magnetar – en ovanlig sorts neutronstjärna – bildades ur en stjärna med massa minst 40 gånger större än solen. Resultatet innebär en ordentlig utmaning för dagens teorier om hur stjärnor utvecklas. En så pass tung stjärna väntades skapa ett svart hål i slutet av sitt liv, inte en magnetar. Nu väcks en fundamental fråga: exakt hur tung behöver en stjärna vara för att kunna sedan bli ett svart hål?

Astronomerna har dragit sina slutsatser efter att ha detaljstuderat den mycket ovanliga stjärnhopen Westerlund 1 [1]. Den ligger 16 000 ljusår bort i stjärnbilden Altaret och upptäcktes 1961 av den svenske astronomen Bengt Westerlund. Tidigare studier (eso0510) har visat att Westerlund 1 är en så kallad superstjärnhop, och är dessutom den som ligger närmast jorden. Den innehåller hundratals mycket tunga stjärnor, varav vissa lyser lika starkt som uppemot en miljon stjärnor. Andra är tvåtusen gånger så stora som solen i diameter, det vill säga lika stora som Saturnus bana runt solen.

Ben Ritchie är huvudförfattare till en artikel som beskriver forskningsresultaten.

- Om solen skulle ligga i mitten av denna märkliga hop skulle natthimlen vara full av hundratals stjärnor som lyste lika starkt som fullmånen, säger han.

Westerlund 1 är ett fantastiskt kosmiskt zoo som befolkas av en brokig och exotisk samling stjärnor. Hopens stjärnor har dock en sak gemensamt: de är alla lika gamla. med en uppskattad ålder på mellan 3,5 och 5 miljoner år. Alla stjärnor i hopen bildades mer eller mindre samtidigt.

En magnetar (eso0831) är ett slags neutronstjärna med ett oerhört starkt magnetfält – tusen biljoner gånger starkare än jordens – som bildas när vissa typer av stjärna genomgår en supernovaexplosion. Hopen Westerlund 1 innehåller en av Vintergatans få kända magnetarer. Tack vare dess hemvist i hopen kunde astronomer dra den överraskande slutsatsen att denna magnetar måste ha bildats ur en stjärna som hade en massa minst 40 gånger större än solens.

Då samtliga stjärnor i Westerlund 1 har samma ålder måste stjärnan som exploderade – och lämnade kvar en magnetar när den gjorde det - ha levt ett kortare liv än de stjärnor i hopen som lever än.

Simon Clark har lett forskningsteamet bakom upptäckten.

- En stjärnas livslängd är direkt kopplad till dess massa: ju tyngre stjärna, desto kortare är dess liv. Om vi kan mäta massan för en enda av de kvarvarande stjärnorna kan vi vara säkra på att stjärnan som blev en magnetar måste ha varit ännu tyngre. Det här är mycket talande, då det inte finns någon accepterad teori för hur sådana extremt magnetiserade objekt bildas, säger han.

Astronomerna valde därför att studera dubbelstjärnan W13 i Westerlund 1. Hos denna så kallade förmörkelsebinär är stjärnornas banor orienterade på ett sätt som gjorde det möjligt att direkt bestämma stjärnornas massor utifrån deras rörelser runt varandra.

Stjärnparets massor berättade för forskarna att stjärnan som blev magnetar måste ha haft en massa på minst 40 gånger solens. Detta bevisar för första gången att magnetarer kan utvecklas från stjärnor vars höga massor borde leda till att de bildar svarta hål. Tidigare har man trott att stjärnor som börjar sina liv med massa mellan 10 och 25 gånger solens skulle sluta som neutronstjärnor, medan de som vägde mer än 25 solmassor skulle bilda svarta hål.

- De här stjärnorna måste bli av med mer än 90 procent av sin massa innan de exploderar som en supernova. En sådan gigantisk massförlust innan explosionen innebär en stor utmaning för dagens stjärnutvecklingsteorier, säger medförfattaren Ignacio Negueruela.

Medförfattaren Norbert Langer håller med.

- Det här får upp på dagordningen den knepiga frågan om precis hur massiv en stjärna behöver vara för att kunna störta samma och bilda ett svart hål, om nu stjärnor som är 40 gånger så tunga som solen inte klarar av bedriften, säger han.

Astronomerna lutar åt en tolkning av resultaten i vilken stjärnan som blev magnetaren – föregångarstjärnan – föddes som en dubbelstjärna. Medan båda stjärnor utvecklades hade de kunnat växelverka med varandra. Det i sin tur gjorde det möjligt för dem att göra sig av med energi från deras rörelse i omloppsbana runt varandra genom att materia i just de stora mängder som krävs kastades ut från föregångarstjärnan. Även om inga tecken på denna andra stjärna finns vid magnetarens läge, kan den ändå ha funnits förr. Under supernovaexplosionen som skapade magnetaren kan dubbelstjärnan ha slitits itu, med resultat att båda stjärnor sköts ut ur hopen i hög fart.

- Om så är fallet, fortsätter Simon Clark, tyder det på att dubbelsystem kan spela en nyckelroll i stjärnornas utveckling genom att driva massförlust. Det blir det ultimata viktminskningsprogrammet för tungviktarstjärnor som kan bli av med 95 procent av den massa de föddes med.

Noter

[1] Stjärnhopen Westerlund 1 upptäcktes 1961 från Australien av uppsalaastronomen Bengt Westerlund (1921-2008), som senare blev ESO:s direktör i Chile mellan 1970 0ch 1974. Hopen ligger bakom ett jättelikt moln av gas och stoft som blockerar största delen av dess ljus. Molnet skymmer hopen med en faktor 100 000, vilket förklarar varför det har tagit så lång tid att upptäcka dess verkliga egenskaper.

Westerlund 1 är ett unikt naturligt laboratorium för astronomer som studerar extrem stjärnfysik, och hjälper dem att förstå hur Vintergatans tyngsta stjärnor lever och dör. Forskare har dragit slutsatsen att denna extrema stjärnhop innehåller sannolikt minst 100 000 gånger solens massa, och alla dess stjärnor ryms i ett område som är mindre än 6 ljusår i diameter. Westerlund 1 tycks alltså vara den tyngsta täta unga stjärnhopen som hittills identifierats i vår galax.

Alla stjärnor i Westerlund som hittills analyserats har massor på minst 30-40 gånger solens. Då sådana stjärnor har ganska korta liv – med astronomiska mått mätt – måste Westerlund 1 vara mycket ung. Astronomer har uppskattat att dess ålder ligger mellan 3,5 och 5 miljoner år. Westerlund 1 förefaller vara en ”nyfödd” hop i vår galax.

Mer information

Forskningsresultaten publiceras inom kort i tidskriften Astronomy and Astrophysics (“A VLT/FLAMES survey for massive binaries in Westerlund 1: II. Dynamical constraints on magnetar progenitor masses from the eclipsing binary W13” av B. Ritchie m. fl.). Samma forskarlag publicerade 2006 den första studien om detta objekt (“A Neutron Star with a Massive Progenitor in Westerlund 1” av M.P. Muno m. fl., Astrophysical Journal, 636, L41).

I teamet ingår Ben Ritchie och Simon Clark (The Open University, Storbritannien), Ignacio Negueruela (Universidad de Alicante, Spanien) och Norbert Langer (Universität Bonn, Tyskland, och Universiteit Utrecht, Nederländerna).

Astronomerna använde instrumentet FLAMES på ESO:s VLT (Very Large Telescope) vid Paranal, Chile för att studera stjärnorna i hopen Westerlund 1.

ESO, Europeiska sydobservatoriet, är Europas främsta samarbetsorgan för astronomisk forskning och världens mest produktiva astronomiska observatorium. Det stöds av 14 länder: Belgien, Danmark, Finland, Frankrike, Italien, Nederländerna, Portugal, Schweiz, Spanien, Storbritannien, Sverige, Tjeckien, Tyskland och Österrike. ESO:s ambitiösa verksamhet rör design, konstruktion och drift av avancerade markbaserade forskningsanläggningar som gör det möjligt för astronomer att göra banbrytande vetenskapliga upptäckter. ESO spelar dessutom en ledande roll i att främja och organisera samarbeten inom astronomisk forskning. ESO driver tre unika observationsplatser i Chile: La Silla, Paranal och Chajnantor. Vid Paranal finns Very Large Telescope, världens mest avancerade observatorium för synligt ljus, och VISTA, det största kartläggningsteleskopet. ESO bidrar dessutom till ALMA, ett revolutionerande astronomiskt teleskop och världens hittills största astronomiska projekt. ESO planerar för närvarande bygget av ett 42-meters europeiskt extremt stort teleskop för synligt och infrarött ljus, E-ELT, som kommer att bli ”världens största öga mot himlen”.

Länkar

• Forskningsartikeln i pdf-format
• Mer information om svarta hål finns på engelska i vårt Black Hole Press Kit

Kontakter

Simon Clark
The Open University
UK
Tel: +44 207 679 4372
E-post: jsc@star.ucl.ac.uk

Ignacio Negueruela
Universidad de Alicante
Alicante, Spain
Tel: +34 965 903400 ext 1152
E-post: ignacio.negueruela@ua.es

Richard Hook
ESO, La Silla, Paranal and E-ELT Press Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
E-post: rhook@eso.org

Johan Warell (Presskontakt för Sverige)
ESO:s nätverk för vetenskaplig kommunikation
Skurup, Sverige
Tel: +46-706-494731
E-post: eson-sweden@eso.org

Connect with ESO on social media

Detta är den översatta versionen av ESO:s pressmeddelande eso1034 som har tagits fram inom ESON, ett nätverk av medarbetare i ESO:s medlemsländer. ESON-representanterna fungerar som lokala kontaktpersoner för media i samband med ESO:s pressmeddelanden och andra händelser. ESON:s kontaktperson i Sverige är Johan Warell.