Ruch gwiazd w pobliżu centralnej czarnej dziury Drogi Mlecznej można przewidzieć jedynie na kilkaset lat

Orbity 27 gwiazd krążących blisko czarnej dziury w centrum naszej galaktyki Drogi Mlecznej są tak chaotyczne, że badacze nie mogą z całą pewnością przewidzieć, gdzie będą się znajdować za około 462 lata. Wynik ten wyłonił się z symulacji przeprowadzonych przez trzech astronomów z Holandii i Wielkiej Brytanii. Naukowcy opublikowali swoje odkrycia w dwóch artykułach w czasopiśmie International Journal of Modern Physics dr I w Miesięczne powiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.

Symulowanie 27 gwiazd i ich interakcji między sobą oraz z czarną dziurą jest łatwiejsze do powiedzenia niż do wykonania. Na przykład przez wieki nie można było przewidzieć ruchów więcej niż dwóch oddziałujących na siebie gwiazd, planet, skał lub innych ciał. Dopiero w 2018 roku badacze z Lejdy opracowali program komputerowy, w którym błędy zaokrągleń nie odgrywają już roli w obliczeniach. I tak mogli Oblicz ruch trzech wyimaginowanych gwiazd. Teraz badacze rozszerzyli swój program o 27 gwiazd, które według standardów astronomicznych poruszają się blisko czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej.

Symulacje 27 masywnych gwiazd i czarnej dziury przyniosły niespodziankę. Chociaż gwiazdy pozostają na swoich orbitach wokół czarnej dziury, interakcje między gwiazdami pokazują, że orbity są chaotyczne. Oznacza to, że niewielkie zaburzenia wywołane oddziaływaniami fundamentalnymi zmieniają orbity gwiazd. Zmiany te narastają wykładniczo i na dłuższą metę sprawiają, że orbity gwiazd stają się nieprzewidywalne.

Czarna dziura przenosi szok

„Po 462 latach nie możemy z całą pewnością przewidzieć orbit. To zaskakująco krótko” – mówi astronom Simon Portijes Zwart (Uniwersytet w Lejdzie, Holandia). Porównuje to do naszego Układu Słonecznego, którego po 12 milionach lat nie można już z całą pewnością przewidzieć.

„A zatem otoczenie czarnej dziury jest 30 000 razy bardziej chaotyczne niż nasze otoczenie, czego zupełnie się nie spodziewaliśmy. Oczywiście Układ Słoneczny jest około 20 000 razy mniejszy, ma miliony razy mniejszą masę i waży zaledwie osiem.” „Stosunkowo lekkie obiekty zamiast 27 ogromnych obiektów, ale jeśli zapytasz mnie wcześniej, nie powinno to mieć większego znaczenia”.

Według badaczy chaos pojawia się za każdym razem mniej więcej w ten sam sposób. Zawsze są dwie lub trzy gwiazdy, które zbliżają się blisko siebie. Powoduje to wzajemne pchanie i ciągnięcie pomiędzy gwiazdami. To z kolei prowadzi do nieco innych orbit gwiazd. Czarna dziura, wokół której krążą te gwiazdy, zostaje następnie lekko odepchnięta, co z kolei odczuwają wszystkie gwiazdy. W ten sposób prosta interakcja między dwiema gwiazdami wpływa na wszystkie 27 gwiazd w gromadzie centralnej.

Powiększ orbity

„Nasze symulacje przeprowadzamy za każdym razem przez 10 000 lat” – mówi Tjaarda Boekholt, była studentka studiów magisterskich w Portegies Zwart w 2015 r., a obecnie na Uniwersytecie Oksfordzkim w Wielkiej Brytanii. „Z lotu ptaka orbity gwiazd wydają się pozostają niezmienione w czasie.” ). „Dopiero gdy zaczniemy przybliżać część orbity, chaotyczne różnice staną się widoczne. Różnice te mogą osiągnąć wartości nawet czterdziestu jednostek astronomicznych, czyli czterdziestokrotność odległości między Ziemią a Słońcem”.

Naukowcy lubią porównywać chaos panujący w czarnej dziurze do jazdy na rowerze po mieście. Wiadomo mniej więcej, ile czasu to zajmie, ale nie da się dokładnie przewidzieć, jak długo. Jeśli most jest otwarty lub ktoś wskoczy przed Twój rower, możesz dotrzeć na miejsce kilka minut później.

„I tak to działa również z gwiazdami otaczającymi czarną dziurę” – mówi Portiges-Zwart. „Wiesz, że nieoczekiwane zdarzenia zdarzają się regularnie, powodując wykładnicze zmiany, które możemy teraz zmierzyć. Ale implikacja jest taka, że ​​po 462 latach nie można już z całą pewnością przewidzieć centrum Drogi Mlecznej wraz z czarną dziurą i 27 krążącymi wokół niej gwiazdami . „Nie możemy już wiarygodnie przewidywać pozycji i prędkości tych gwiazd”.

Dla Portigesa Zwarta i jego współpracowników te 462 lata nie są najważniejsze. „462 lata to oczywiście bardzo krótki okres, ale naszym zdaniem jako astronomowie musimy spojrzeć inaczej niż wcześniej na to, co dzieje się w pobliżu czarnej dziury” – powiedział Portijes-Zwart. „Musimy znaleźć na to nowe słowa. Na przykład wraz z Tjaardą Bockholt zacząłem tworzyć słownik definicji, po prostu dlatego, że nie istniały żadne istniejące terminy, które dokładnie opisywałyby ten nowy typ destrukcyjnego zachowania, które zaobserwowaliśmy”.

Przerywany chaos

Naukowcy ukuli zjawisko „przerywany chaos”. Termin ten inspirowany jest biologią ewolucyjną, w której zachodzi zjawisko odwrotne: tak zwana równowaga przerywana. Chodzi o ewolucję w obrębie gatunku, w którym często istnieje długoterminowa równowaga, przerywana jedynie sporadycznie przez traumatyczne wydarzenie.

„Przed tymi badaniami nie było wiadomo, czy chaos w symulacjach ma podłoże fizyczne, czy też wynika z błędów w zaokrąglaniach i innych problemów w obliczeniach” – mówi współautor Douglas Heggie, emerytowany, ale nadal aktywny matematyk i naukowiec. Astronom na Uniwersytecie w Edynburgu (Wielka Brytania) i pionier w dziedzinie problemu ciał N.

„Przetestowaliśmy symulacje i podstawowe obliczenia na kilka sposobów” – mówi Heggie. „Nasze wyniki się potwierdzają. Teraz jesteśmy w stanie dostarczyć prawdziwych danych na temat chaotycznego zachowania układów wielogwiazdowych. To jest fantastyczne. ”