HVGC-1: Der ausgestoßene Cluster

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

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

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

Ein Hubble-Weltraumteleskopbild von M87 zusammen mit einem von seiner Mitte emittierten Strahl. Bildnachweis: NASA / Hubble.

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

Der Täter? Möglicherweise ein supermassives Schwarzes Loch.

Die Spektroskopie schlägt wieder zu

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

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

Die Astronomen untersuchten ungefähr 2500 Kugelsternhaufenkandidaten und konnten für etwa 1800 von ihnen Rotverschiebungen - und damit Radialgeschwindigkeiten - bestimmen. Die Geschwindigkeitsverteilungen zeigten, dass die Kandidaten tatsächlich in drei verschiedene Kategorien fielen: Galaxien, Kugelsternhaufen im Jungfrau-Haufen und Vordergrundsterne im Heiligenschein der Milchstraße. Als die Galaxien aus der Probe entfernt wurden, blieb ein Datenpunkt übrig, der weit von den Spitzen der Stern- und Kugelhaufenverteilungen entfernt war, mit einer Radialgeschwindigkeit von etwa -1000 km / s - ein enormer Ausreißer. Dies warf die Frage auf: War HVGC-1 ein Stern, eine Galaxie, ein Kugelsternhaufen 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 kann das Vorhandensein und die Form verschiedener Linien ein Schlüsselindikator für die Zusammensetzung und Temperatur eines Sterns sein. Die Stärken von Linien sind ebenfalls wichtig, aber Linienstärken können durch Dinge wie Aussterben und natürlich das inverse Quadratgesetz verringert werden. Wenn Sie versuchen möchten, ein Objekt anhand der Stärke seiner Linien zu identifizieren, ist es daher besser, die Verhältnisse verschiedener Linien als die absoluten Intensitäten zu betrachten.

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

In diesem Fall untersuchte das Team zwei verschiedene Linienverhältnisse: Hγ geteilt durch die G-Band-Leuchtkraft und ein Verhältnis von zwei Arten der Ca II -Emission unter Verwendung von Balmer-Linien mit höherer Energie. Im Allgemeinen haben die Kugelhaufen von M87 wesentlich niedrigere Ca II -Verhältnisse als die Kugelhaufen in Andromeda oder die Feldsterne. Das Ca II -Verhältnis von HVGC-1 betrug etwa 0,5 - ungefähr die Hälfte dessen, was Sie von einem Halo-Stern erwarten würden, aber perfekt für einen Kugelsternhaufen.

Die Sterne herausfiltern

Die andere Hauptdiagnose, die verwendet wurde, um das Objekt von möglichen Vordergrundsternen zu trennen, war die einfache Photometrie. In einer Umfrage des Virgo-Clusters, die Anfang des Jahres veröffentlicht wurde und als "Next Generation Virgo Cluster Survey-Infrared" (NGVS-IR) bezeichnet wird, haben Muñoz et al. 2014 hatte eine clevere Möglichkeit gefunden, Kugelhaufen von Sternen zu unterscheiden, indem die Photometrie von verschiedenen Filtern verglichen wurde. Bei Helligkeitsmessungen in den K-, u- und i-Bändern (zentriert bei 2190, 365 bzw. 806 nm) zeichneten sie ik gegen ui auf und identifizierten eine Reihe von Regionen in einem sogenannten uiK-Diagramm, einschließlich Linien von Sternen und Kugelsternhaufen.

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

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

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 relativ zu M87 bewegte. Eine schnelle Berechnung ergab, dass diese Geschwindigkeit viel größer ist als die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxie, was darauf hinweist, dass der Kugelhaufen sie bald verlassen wird, ebenso wie der Jungfrau-Haufen als Ganzes. Wir sehen eine Reihe von Sternen, die sich in der Milchstraße so bewegen und Hypervelocity-Sterne genannt werden (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 Galaxie, ihre immense Geschwindigkeit erreicht haben. Könnte etwas Ähnliches mit HVGC-1 passiert sein?

Schwarze Löcher und Babycluster

Die Idee einer gewalttätigen Begegnung mit einem supermassiven Schwarzen Loch ist verlockend und würde für M87 eine gewalttätige Geschichte bedeuten. Damit ein Objekt aus einem System ausgeworfen werden kann, müssen mindestens drei Körper beteiligt sein. Hypervelocity-Sterne werden oft von binären Gefährten befreit - den dritten beteiligten Körpern -, wenn sie auf ein supermassereiches 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 hinweisen 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 wegschieben. Wir haben Beweise dafür, dass dasselbe im Quasar 3C 186 passiert ist.

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

Wie fast immer gibt es jedoch andere Erklärungen für die eigentümliche Geschwindigkeit. Eine Möglichkeit, die die Gruppe in Betracht gezogen hat, besteht darin, dass Wechselwirkungen zwischen Galaxien im Virgo-Cluster von M87 - HVGC-1 unter ihnen entfernt worden sein könnten. 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 Drei-Körper-Wechselwirkung verdrängt wird. Auch hier ist es jedoch unwahrscheinlich, dass dies die erforderliche Geschwindigkeit erzeugt.

Schließlich betrachtete das Team eine andere Situation im Zusammenhang mit supermassiven Black-Hole-Binärdateien. Angesichts der Dichte von HGVC-1 schien es möglich, dass es sich tatsächlich um ein sogenanntes hyperkompaktes Sternensystem handelte - ein supermassives Schwarzes Loch, das von einer Gruppe von Sternen umgeben ist und alle durch eine Gravitationswelle aus einem Binärsystem des Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie ausgestoßen wurde Emission. Die gemessene Metallizität des Clusters stimmte jedoch stark mit der Theorie überein - und auch seine Geschwindigkeit.

Die Astronomen befürworten nach wie vor die Idee einer supermassiven binären Fusion von Schwarzen Löchern - eine aufregende Aussicht, da diese Fusionen möglicherweise von Systemen wie Pulsar-Timing-Arrays erkannt werden können. Wenn wir M87 tatsächlich lange nach einem solchen Ereignis beobachten, könnte es andere Anzeichen in den Sternpopulationen nahe dem Kern der Galaxie geben. Vielleicht könnte uns der astrophysikalische Strahl, der aus seinem Zentrum austritt, 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 ständiges Ziel der Untersuchung bei einer Vielzahl von Wellenlängen. Wir sind möglicherweise nicht zu weit von der nächsten Umfrage entfernt, um Beweise für die merkwürdige Vergangenheit von HVGC-1 zu liefern.