HVGC-1: Der ausgestoßene Cluster

Wir haben bereits Sterne entdeckt, die sich mit Tausenden von Kilometern pro Sekunde bewegen. Tut dieser Kugelsternhaufen dasselbe?

Sterne und Galaxien sehen mit bloßem Auge oft wie winzige Lichtpunkte aus. Während für viele Quellen Teleskope Bilder mit fast verblüffenden Details liefern können, gibt es viele Fälle, in denen das gewünschte Ziel immer noch wie ein Punkt auf einem Bildschirm aussieht. In diesen Fällen sind Astronomen möglicherweise auf die Spektroskopie angewiesen, um grundlegende Einblicke in das zu erhalten, was sie gerade sehen.

Nehmen wir zum Beispiel das Objekt HVGC-1, das sich im Virgo-Galaxienhaufen etwa 16 Millionen Parsec von der Erde entfernt befindet. Als es 2014 zum ersten Mal entdeckt wurde, bedeutete seine Position am Himmel, dass es entweder ein Stern im Lichthof der Milchstraße oder ein schurkischer Kugelhaufen sein könnte, der aus der elliptischen Galaxie M87 ausgestoßen wird. Radialgeschwindigkeitsmessungen schienen darauf hinzudeuten, dass die letztgenannte Hypothese wahrscheinlicher war, aber es bedurfte einer optischen und infraroten Photometrie, begleitet von Messungen der Wasserstofflinien in ihren Spektren, um den Fall endgültig zu schließen.

Ein Hubble-Weltraumteleskop-Bild von M87 zusammen mit einem Strahl, der aus seiner Mitte ausgestrahlt wird. Bildnachweis: NASA / Hubble.

HVGC-1 - Abkürzung für High-Velocity Globular Cluster 1 - ist mehr als nur eine Demonstration, warum Spektrallinienmessungen unglaublich nützlich sind. Das Objekt entfernt sich von M87 mit einer Geschwindigkeit von über 2300 km / s, die größer ist als die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxie. Dies ist beispiellos für jeden bisher entdeckten Kugelhaufen und scheint sowohl für den Haufen selbst als auch für die Galaxie, die er einst als Heimat bezeichnete, eine turbulente Vergangenheit anzudeuten.

Der Täter? Möglicherweise ein supermassives Schwarzes Loch.

Die Spektroskopie schlägt wieder zu

Die Entdeckung erfolgte inmitten einer Suche (Caldwell et al. 2014) nach Kugelhaufen in Richtung Jungfrau-Cluster. Diese Objekte und die Sterne, aus denen sie bestehen, sind alt, dicht und voller Sterne mit geringer Metallizität und wahrscheinlich so alt wie die Galaxien, die sie umkreisen. Ihre frühe Entstehung und Entwicklung ist immer noch ein aktives Forschungsthema, und während sich unsere besten und detailliertesten Proben von Kugelhaufen in der lokalen Gruppe befinden, können wir einige Aspekte der Galaxienentstehung besser verstehen, wenn wir sie in anderen Galaxiengruppen wie M87 studieren .

Fig. 1, Caldwell et al. 2014. Die Spitzen der Stern- und Kugelsternhaufenverteilungen sind klar, und HVGC-1 ist weit von beiden entfernt.

Die Astronomen untersuchten ungefähr 2500 Kugelsternhaufen-Kandidaten und konnten für ungefähr 1800 von ihnen Rotverschiebungen - und damit Radialgeschwindigkeiten - bestimmen. Die Geschwindigkeitsverteilungen zeigten, dass die Kandidaten tatsächlich in drei Kategorien unterteilt waren: Galaxien, Kugelsternhaufen im Jungfrau-Haufen und Vordergrundsterne im Lichthof der Milchstraße. Als die Galaxien aus der Probe entfernt wurden, blieb ein Datenpunkt übrig, der mit einer Radialgeschwindigkeit von etwa -1000 km / s weit von den Spitzen der Stern- und Kugelsternhaufenverteilungen entfernt war - ein enormer Ausreißer. Dies warf die Frage auf: War HVGC-1 ein Stern, eine Galaxie, ein Kugelhaufen oder etwas ganz anderes?

Die Spektroskopie ermöglicht es uns, die Bewegung eines Objekts entlang unserer Sichtlinie zu bestimmen, aber die Spektrallinien selbst liefern uns noch mehr Informationen. Zum Beispiel können das Vorhandensein und die Form verschiedener Linien ein Schlüsselindikator für die Zusammensetzung und Temperatur eines Sterns sein. Die Stärke von Linien ist ebenfalls wichtig, aber Linienstärken können durch Dinge wie Auslöschung und natürlich das Gesetz des umgekehrten Quadrats verringert werden. Wenn Sie also versuchen möchten, ein Objekt anhand der Stärke seiner Linien zu identifizieren, sollten Sie sich lieber die Verhältnisse der verschiedenen Linien als die absoluten Intensitäten ansehen.

Fig. 3, Caldwell et al. 2014. Die HVGC-1 ist ganz klar ein Kugelsternhaufen.

In diesem Fall untersuchte das Team zwei verschiedene Linienverhältnisse: H & ggr; dividiert durch die G-Band-Helligkeit und ein Verhältnis von zwei Arten von Ca II -Emissionen unter Verwendung energiereicherer Balmer-Linien. Im Allgemeinen haben M87-Kugelhaufen wesentlich niedrigere Ca II -Verhältnisse als Kugelhaufen in Andromeda oder Feldsternen. Das Ca II -Verhältnis von HVGC-1 betrug etwa 0,5 - ungefähr die Hälfte dessen, was man von einem Halostern erwarten würde, aber perfekt für einen Kugelsternhaufen.

Sterne herausfiltern

Die andere Hauptdiagnose, die verwendet wurde, um das Objekt von möglichen Vordergrundsternen zu trennen, war die einfache Photometrie. In einer Umfrage zum Virgo-Cluster, der Anfang des Jahres veröffentlicht wurde und den Namen The Next Generation Virgo Cluster Survey-Infrared (NGVS-IR) trägt, haben Muñoz et al. Das Jahr 2014 hatte einen cleveren Weg gefunden, Kugelhaufen von Sternen zu unterscheiden, indem die Photometrie verschiedener Filter verglichen wurde. Unter Verwendung von Helligkeitsmessungen in den K-, u- und i-Bändern (jeweils zentriert bei 2190, 365 und 806 nm) zeichneten sie ik gegen ui und identifizierten eine Reihe von Regionen in einem sogenannten UK-Diagramm, einschließlich der Linien von Sternen und Kugelsternhaufen.

Fig. 14, Muñoz et al. 2014. Die beiden benachbarten Linien von Hauptreihensternen und Kugelsternhaufen sind sehr dicht besiedelt.

Das NGVS-IR-Team hatte speziell M87 untersucht und diese Entdeckung zu einem wirklich nützlichen Werkzeug für Caldwell et al. Gemacht, die nach weiteren Beweisen dafür suchten, dass HVGC-1 ein Kugelsternhaufen war. Ihr britisches Diagramm enttäuschte nicht und das Zielobjekt fiel erwartungsgemäß wunderschön in die Kugelsternhaufenfolge.

Fig. 2, Caldwell et al. 2014.

Zwischen der Photometrie und der Linienverhältnisanalyse schien die Gruppe HVGC-1 definitiv als Kugelsternhaufen klassifiziert zu haben, der sich mit einer unglaublichen Geschwindigkeit von 2300 km / s im Vergleich zu M87 bewegte. Eine schnelle Berechnung ergab, dass diese Geschwindigkeit viel größer ist als die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxie, was darauf hindeutet, dass der Kugelhaufen ihn bald verlassen wird, ebenso wie der Jungfrau-Haufen als Ganzes. Wir sehen eine Reihe von Sternen, die sich in der Milchstraße so bewegen, Hypervelocity-Sterne genannt (ich schrieb über einen interessanten Fall, HE 0437–5439, Anfang dieses Jahres!). Es wird angenommen, dass diese Sterne nach Begegnungen mit Schütze A *, dem supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum der Galaxis, ihre ungeheure Geschwindigkeit erreicht haben. Könnte etwas Ähnliches mit HVGC-1 passiert sein?

Schwarze Löcher und Babyhaufen

Die Idee einer gewaltsamen Begegnung mit einem supermassiven Schwarzen Loch ist verlockend und würde für M87 eine gewaltsame Geschichte bedeuten. Damit ein Objekt aus einem System ausgeworfen werden kann, müssen mindestens drei Stellen beteiligt sein. Hypervelocity-Sterne werden oft von binären Begleitern - den beteiligten dritten Körpern - befreit, wenn sie auf ein supermassives Schwarzes Loch treffen, aber diese Binarität ist für Kugelhaufen höchst unwahrscheinlich! Die Astronomen schlugen eine Modifikation des Aufbaus vor, bei der zwei supermassereiche Schwarze Löcher, die nicht mehr als ein paar Parsec voneinander entfernt waren, den notwendigen Schub hätten liefern können, um HVGC-1 in den intergalaktischen Raum zu schicken. Eine solche Begegnung würde die meisten Sterne des Kugelsternhaufens entfernen und nur seinen dichten Kern zurücklassen.

Es gibt Unterstützung für diese Idee. Während M87 nur ein supermassives Schwarzes Loch enthält, ist es von der Mitte versetzt, was darauf hindeuten könnte, dass das Schwarze Loch das Ergebnis einer binären Fusion ist. Die Gravitationswellen des Ereignisses könnten anisotrop emittiert werden und den Rest vom galaktischen Zentrum entfernen. Wir haben Beweise dafür, dass dasselbe im Quasar 3C 186 passiert ist.

Hypervelocity-Sterne wie HE 0437–5439 können Überreste von Doppel- oder Dreifachsternsystemen sein. Bildnachweis: NASA.

Allerdings gibt es, wie fast immer, andere Erklärungen für die eigentümliche Geschwindigkeit. Eine Möglichkeit, die von der Gruppe in Betracht gezogen wurde, sind Wechselwirkungen zwischen Galaxien im Virgo-Cluster, die unter anderem von M87 - HVGC-1 - gestrippt wurden. Die beobachtete Verteilung von anderen Kandidatenobjekten in M87 reicht jedoch nicht bis zur gemessenen Relativgeschwindigkeit von 2300 km / s, was bedeutet, dass HVGC-1 immer noch ein Ausreißer wäre. Eine andere Möglichkeit war, dass HVGC-1 der Begleiter einer „Subhalo“ -Zwerggalaxie ist, die M87 umkreist und durch eine Dreikörper-Interaktion verdrängt wird. Wiederum ist es jedoch unwahrscheinlich, dass dies die erforderliche Geschwindigkeit erzeugt.

Schließlich betrachtete das Team eine andere Situation im Zusammenhang mit supermassiven Binärdateien für Schwarze Löcher. Angesichts der Dichte von HGVC-1 schien es tatsächlich möglich, dass es sich um ein hyperkompaktes Sternsystem handelte - ein supermassives Schwarzes Loch, umgeben von einer Gruppe von Sternen, die alle durch die Gravitationswelle aus einem binären Schwarzlochsystem im Zentrum der Galaxie ausgestoßen wurden Emission. Die gemessene Metallizität des Clusters widersprach jedoch stark der Theorie - und auch die Geschwindigkeit.

Die Astronomen befürworten immer noch die Idee einer supermassiven binären Fusion von Schwarzen Löchern - eine aufregende Aussicht, da diese Fusionen durch Systeme wie Pulsar-Timing-Arrays nachweisbar sein könnten. Wenn wir M87 in der Tat lange nach einem solchen Ereignis beobachten, gibt es möglicherweise andere Anzeichen in den Sternpopulationen in der Nähe des Galaxienkerns. Vielleicht könnte der astrophysikalische Strahl, der aus seinem Zentrum austritt, uns einige Hinweise geben. M87 ist eine absolut riesige Galaxie, wahrscheinlich ein Vielfaches der Masse der Milchstraße, mit reichen Gruppen von Sternen, Kugelhaufen sowie Gas und Staub. Es ist ein konstantes Untersuchungsziel bei einer Vielzahl von Wellenlängen. Wir könnten nicht zu weit von der nächsten Umfrage entfernt sein, um Beweise für die merkwürdige Vergangenheit von HVGC-1 zu liefern.