The effect of pressure confinement on the maximum mass of rapidly accreting supermassive stars

In het vroege universum, slechts enkele honderd miljoen jaar na de oerknal, begonnen de eerste supermassieve zwarte gaten te verschijnen. Deze kosmische reuzen, die miljoenen of zelfs miljarden malen zwaarder zijn dan onze Zon, bevinden zich tegenwoordig in het hart van bijna elke grote sterrenstelsel. Toch blijft hun oorsprong een van de meest hardnekkige puzzels in de astronomie. Om zo snel zo groot te worden, moeten ze begonnen zijn als massieve zaden, maar de fysica van hoe deze zaden ontstonden, is moeilijk te rijmen met de bekende wetten van de zwaartekracht. Eén leidende theorie suggereert dat deze zaden begonnen als supermassieve sterren — enorme, opgezwollen bollen gas die opzwollen tot honderden malen de massa van de Zon voordat ze instortten tot zwarte gaten. Er is echter een addertje onder het gras: naarmate deze sterren groeien, worden ze instabiel. Volgens de standaard regels van de fysica zou een ster van deze omvang onder zijn eigen gewicht moeten instorten lang voordat hij de massa kan bereiken die nodig is om de reusachtige zwarte gaten te verklaren die we vandaag de dag zien.

Een nieuwe studie door Lorenz Zwick, Christopher Tiede en Zoltán Haiman daagt deze lang gevestigde aanname uit door te kijken naar de omgeving waarin deze sterren worden geboren. Decennialang berekenden wetenschappers de stabiliteit van deze sterren door ze te behandelen als geïsoleerde objecten die in de lege ruimte zweven, zonder externe krachten die op hen drukken. Maar in werkelijkheid vormt een supermassieve ster zich niet in een vacuüm. Ze wordt gebouwd door een meedogenloze, hogesnelheidsrivier van gas die uit het omringende sterrenstelsel op haar afstroomt. Dit artikel betoogt dat deze inkomende stroom meer doet dan alleen massa toevoegen; het drukt ook tegen het oppervlak van de ster, wat fungeert als een beschermende schil. De onderzoekers ontdekten dat deze externe druk, gegenereerd door de ramkracht van het invallende gas en de magnetische velden die ermee mee worden gevoerd, de ster aanzienlijk kan stabiliseren. Deze extra ondersteuning zorgt ervoor dat de ster veel groter en zwaarder kan worden dan voorheen mogelijk werd geacht, voordat ze uiteindelijk instort tot een zwart gat.

De onderzoekers concentreerden zich op een specifiek type theoretische ster dat een hylotrope wordt genoemd, die modelleert hoe een supermassieve ster evolueert terwijl ze snel gas doorslikt. In hun berekeningen breidden ze de klassieke stabiliteitsregels uit die in de jaren 1960 werden ontwikkeld door de natuurkundige Subrahmanyan Chandrasekhar. Het werk van Chandrasekhar toonde aan dat naarmate een ster extreem massief wordt, de effecten van Einsteins relativiteitstheorie de ster instabiel maken, waardoor deze implodeert. De nieuwe studie voegt een cruciaal ontbrekend stuk toe aan deze vergelijking: de druk van de buitenwereld. Het team leidde een nieuw wiskundig criterium af dat rekening houdt met het feit dat de ster wordt samengedrukt door het gas dat haar voedt. Ze ontdekten dat wanneer de externe druk slechts een klein fractie bereikt — ongeveer één-duizendste — van de eigen interne druk van de ster, het begint te compenseren voor de destabiliserende effecten van de relativiteit.

Deze kleine hoeveelheid externe druk heeft een enorme impact op de potentiële omvang van de ster. De studie laat zien dat zodra deze drukdrempel wordt overschreden, de maximale massa die een ster kan bereiken voordat deze instort, drastisch toeneemt. In plaats van beperkt te zijn tot enkele honderdduizend keer de massa van de Zon, zou een ster die wordt ingeperkt door deze externe druk potentieel miljoenen zonsmassa's kunnen bereiken. De onderzoekers berekenden dat om deze buitengewone groottes te bereiken, het omringende gas met een snelheid van ongeveer honderd zonsmassa's per jaar moet binnenstromen, en dat de magnetische velden in dat gas sterk genoeg moeten zijn om extra begrenzing te bieden. Onder deze omstandigheden kan de ster haar onvermijdelijke instorting uitstellen en veel groter worden dan de "zware zaden" die typisch worden voorspeld door modellen die de omgeving negeren.

De implicaties van deze bevinding reiken verder dan alleen de wiskunde van stellaire instorting. Het biedt een mogelijke verklaring voor het bestaan van de meest massieve zwarte gaten die in het vroege universum zijn waargenomen, die te groot lijken om gevormd te zijn uit de standaard, kleinere zaden. Het biedt ook een fris perspectief op recente waarnemingen van de James Webb Space Telescope, die mysterieuze, rode en zeer heldere objecten in het vroege kosmos heeft gedetecteerd. Sommige astronomen geloven dat deze objecten de supermassieve sterren kunnen zijn die dit artikel beschrijft. De standaardmodellen worstelen met de vraag hoe dergelijke sterren zouden kunnen bestaan zonder in te storten, maar de nieuwe resultaten suggereren dat de intense druk van hun eigen accretiestromen hen stabiel kan houden bij de enorme omvang die vereist is om aan de observaties van de telescoop te voldoen.

De auteurs merken zorgvuldig op dat deze resultaten gebaseerd zijn op theoretische modellen en simulaties, en niet op directe metingen van een echte ster, wat onmogelijk in zulke detail zou kunnen worden waargenomen. Ze erkennen dat het echte universum chaotisch is, met sterren die waarschijnlijk draaien en gas accreteren op complexe, ongelijkmatige manieren die hun vereenvoudigde, sferische modellen niet volledig kunnen vatten. De kernbevinding — dat de omgeving ertoe doet — is echter robuust. De studie suggereert dat hetzelfde proces dat de ster opbouwt, haar ook helpt bij elkaar te houden. Het gas dat de ster voedt, drukt ook op haar, en de magnetische velden die door die stroom worden gegenereerd, zorgen voor een stabiliserende grip. Dit samenspel betekent dat de uiteindelijke massa van het resulterende zwarte gat niet alleen een eigenschap is van de ster zelf, maar het resultaat is van de gewelddadige, hoogdrukomgeving waarin zij is geboren.

Uiteindelijk verschuift dit werk de focus van de ster als een geïsoleerd object naar de ster als onderdeel van een dynamisch systeem. Het suggereert dat de meest extreme zwarte gaten in het universum gevormd kunnen zijn in de meest extreme omgevingen, waar de instroom van gas zo krachtig was dat het de regels van stellaire stabiliteit fundamenteel veranderde. Door rekening te houden met de druk van de accretiestroom, hebben de onderzoekers een nieuw venster geopend naar hoe de eerste reuzen van het universum gegroeid kunnen zijn, en bieden ze een plausibel pad voor hoe de natuur de zaden voor de supermassieve zwarte gaten kon produceren die het huidige universum domineren.