Czarne dziury, tradycyjnie nieuchwytne i niewidoczne, są odsłaniane poprzez obserwację zdarzeń związanych z zakłóceniami pływowymi (TDE), podczas których gwiazdy ulegają gwałtownemu zniszczeniu, generując jasne rozbłyski obserwowalne z dużych odległości.
Dramatyczne przyciemnienie źródła światła oddalonego o około 860 milionów lat świetlnych od Ziemi potwierdza dokładność szczegółowego modelu opracowanego przez zespół astrofizyków z Uniwersytetu Syracuse, MIToraz Instytut Naukowy Teleskopów Kosmicznych.
Zrozumienie czarnych dziur poprzez TDE
Potężne teleskopy, np NASAHubble, James Webb i Obserwatorium Rentgenowskie Chandra zapewniają naukowcom okno na przestrzeń kosmiczną, dzięki czemu mogą badać fizykę czarnych dziur. Choć można by się zastanawiać, jak „zobaczyć” a czarna dziuraktóry słynie z pochłaniania całego światła, jest to możliwe dzięki zjawiskom zakłóceń pływowych (TDE), podczas których gwiazda zostaje zniszczona przez supermasywną czarną dziurę i może zasilić „świetlisty rozbłysk akrecyjny”. Przy jasnościach tysiące miliardów razy jaśniejszych od Słońca, zdarzenia akrecyjne umożliwiają astrofizykom badanie supermasywnych czarnych dziur (SMBH) w kosmologicznych odległościach.
Do TDE dochodzi, gdy gwiazda zostaje gwałtownie rozerwana przez ogromne pole grawitacyjne czarnej dziury. Gdy gwiazda ulega rozdrobnieniu, jej pozostałości przekształcają się w strumień gruzu, który spada z powrotem na czarną dziurę, tworząc bardzo gorący i bardzo jasny dysk materii wirujący wokół czarnej dziury, zwany dyskiem akrecyjnym. Naukowcy mogą je badać, aby dokonać bezpośrednich obserwacji TDE i porównać je z modelami teoretycznymi, aby powiązać obserwacje z właściwościami fizycznymi rozbitych gwiazd i zakłócających je czarnych dziur.
Innowacje w badaniach nad czarnymi dziurami
Zespół fizyków z Uniwersytetu Syracuse, MIT i Instytutu Naukowego Teleskopu Kosmicznego wykorzystał szczegółowe modelowanie, aby przewidzieć rozjaśnianie i ściemnianie AT2018fyk, które jest powtarzającym się częściowym TDE, co oznacza, że rdzeń gwiazdy o dużej gęstości przetrwał oddziaływanie grawitacyjne z gwiazdą SMBH, umożliwiając mu okrążenie czarnej dziury i wielokrotne zniszczenie.
Model przewidywał, że AT2018fyk „przygaśnie” w sierpniu 2023 r., co zostało potwierdzone, gdy źródło pociemniało zeszłego lata, dostarczając dowodów na to, że ich model zapewnia nowy sposób badania fizyki czarnych dziur. Ich wyniki opublikowano w The Listy do dzienników astrofizycznych.
Źródło wysokiej energii
Dzięki niezwykle szczegółowym badaniom pozagalaktycznym naukowcy monitorują więcej przychodzących i odchodzących źródeł światła niż kiedykolwiek wcześniej. Przeglądy obejmują całe półkule w poszukiwaniu nagłego rozjaśnienia lub przyciemnienia źródeł, co mówi badaczom, że coś się zmieniło. W przeciwieństwie do teleskopu w Twoim salonie, który może skupiać tylko światło widzialne, teleskopy takie jak Chandra mogą wykrywać źródła światła w tak zwanym widmie rentgenowskim emitowanym przez materiał o temperaturze milionów stopni.
Zarówno światło widzialne, jak i promieniowanie rentgenowskie są formami promieniowania elektromagnetycznego, ale promienie rentgenowskie mają krótszą długość fali i większą energię. Podobnie jak piecyk po włączeniu staje się „rozżarzony do czerwoności”, gaz składający się z dysku „świeci” w różnych temperaturach, przy czym najgorętszy materiał znajduje się najbliżej czarnej dziury. Jednak zamiast emitować energię w zakresie fal optycznych widocznych dla oka, najgorętszy gaz w dysku akrecyjnym emituje widmo rentgenowskie. Są to te same promienie rentgenowskie, których lekarze używają do obrazowania kości i które mogą przechodzić przez tkanki miękkie, a ze względu na względną przezroczystość detektory używane przez teleskopy rentgenowskie NASA są specjalnie zaprojektowane do wykrywania tego wysokoenergetycznego promieniowania”.
Powtórzony występ
W styczniu 2023 r. zespół fizyków, w skład którego wchodzili Eric Coughlin, profesor na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Syracuse, Dheeraj R. „DJ” Pasham, pracownik naukowy w MIT i Thomas Wevers, pracownik Instytutu Naukowego Teleskopu Kosmicznego, opublikował papier w Listy z dziennika astrofizycznego który zaproponował szczegółowy model powtarzającego się częściowego TDE. Ich wyniki były pierwszymi, które pozwoliły sporządzić mapę zaskakującej orbity powrotnej gwiazdy wokół supermasywnej czarnej dziury, ujawniając nowe informacje o jednym z najbardziej ekstremalnych środowisk kosmosu.
Zespół oparł swoje badania na TDE znanym jako AT2018fyk (AT oznacza „Astrophysical Transient”), w przypadku którego zaproponowano przechwycenie gwiazdy przez SMBH w procesie wymiany znanym jako „Hills Capture”. Pierwotnie była częścią układu podwójnego (dwie gwiazdy krążące wokół siebie pod wpływem wzajemnego przyciągania grawitacyjnego). Postawiono hipotezę, że jedna z gwiazd została przechwycona przez pole grawitacyjne czarnej dziury, a druga (nieprzechwycona) gwiazda została wyrzucona z centrum galaktyki z prędkością porównywalną do ~1000 km/s.
Po związaniu się z SMBH gwiazda zasilająca emisję z AT2018fyk była wielokrotnie odrywana od zewnętrznej otoczki za każdym razem, gdy przechodziła przez punkt największego zbliżenia do czarnej dziury. Pozbawione zewnętrzne warstwy gwiazdy tworzą jasny dysk akrecyjny, który badacze mogą badać za pomocą teleskopów rentgenowskich i ultrafioletowych/optycznych obserwujących światło z odległych galaktyk.
Podczas gdy TDE są zwykle wykonywane jednorazowo, ponieważ ekstremalne pole grawitacyjne SMBH niszczy gwiazdę, co oznacza, że SMBH ponownie zapada w ciemność po rozbłysku akrecyjnym, AT2018fyk zapewniła wyjątkową okazję do zbadania powtarzającego się częściowego TDE.
Zespół badawczy wykorzystał trzy teleskopy do dokonania pierwszych i kolejnych odkryć: Swift i Chandra, oba obsługiwane przez NASA, oraz XMM-Newton, która jest misją europejską. AT2018fyk, po raz pierwszy zaobserwowana w 2018 r., znajduje się w odległości ~860 milionów lat świetlnych od nas, co oznacza, że ze względu na czas potrzebny światłu na podróż, wydarzyło się to w czasie rzeczywistym ~860 milionów lat temu.
Zespół wykorzystał szczegółowe modelowanie, aby przewidzieć, że źródło światła nagle zniknie około sierpnia 2023 r. i ponownie się rozjaśni, gdy świeżo oderwana materia nałoży się na czarną dziurę w 2025 r.
Sondowanie przyszłości: przewidywania i implikacje
Potwierdzając dokładność swojego modelu, zespół odnotował spadek strumienia promieniowania rentgenowskiego na przestrzeni dwóch miesięcy, począwszy od 14 sierpnia 2023 r. Tę nagłą zmianę można zinterpretować jako drugie wyłączenie emisji.
„Zaobserwowane wyłączenie emisji pokazuje, że nasz model i założenia są wykonalne i sugeruje, że naprawdę widzimy gwiazdę powoli pożeraną przez odległą i bardzo masywną czarną dziurę” – mówi Coughlin. „W naszym zeszłorocznym artykule wykorzystaliśmy ograniczenia początkowego wybuchu, przyciemnienia i ponownego rozjaśnienia, aby przewidzieć, że AT2018fyk powinna wykazywać nagłe i szybkie przyciemnienie w sierpniu 2023 r., Jeśli gwiazda przeżyła drugie spotkanie, które zapoczątkowało drugie pojaśnienie.”
Fakt, że system wykazał to przewidywane wyłączenie, implikuje zatem kilka rozróżnień dotyczących gwiazdy i czarnej dziury:
- gwiazda przeżyła drugie spotkanie z czarną dziurą;
- szybkość powrotu pozbawionych zanieczyszczeń do czarnej dziury jest ściśle powiązana z jasnością AT2018fyk;
- a okres obiegu gwiazdy wokół czarnej dziury wynosi ~ 1300 dni, czyli około 3,5 roku.
Drugie odcięcie oznacza, że kolejne ponowne rozjaśnienie powinno nastąpić między majem a sierpniem 2025 r., a jeśli gwiazda przetrwa drugie spotkanie, przewiduje się, że trzecie wyłączenie nastąpi między styczniem a lipcem 2027 r.
Jeśli chodzi o to, czy możemy liczyć na ponowne rozjaśnienie w 2025 r., Coughlin twierdzi, że wykrycie drugiego odcięcia oznacza, że z gwiazdy zostało świeżo usunięte więcej masy, która powinna powrócić do czarnej dziury, powodując trzecie pojaśnienie.
„Jedyna niepewność dotyczy szczytu emisji”, mówi. „Drugi ponownie rozjaśniony pik był znacznie słabszy niż pierwszy i niestety jest możliwe, że trzeci wybuch będzie jeszcze słabszy. To jedyna rzecz, która ograniczałaby wykrywalność trzeciego wybuchu.”
Coughlin zauważa, że model ten oznacza nowy, ekscytujący sposób badania niezwykle rzadkich przypadków powtarzających się częściowych TDE, które, jak się uważa, mają miejsce raz na milion lat w danej galaktyce. Jak twierdzi, do tej pory naukowcy natknęli się tylko na cztery do pięciu systemów wykazujących takie zachowanie.
„Wraz z pojawieniem się ulepszonej technologii wykrywania, odkrywającej coraz więcej powtarzających się częściowych TDE, przewidujemy, że model ten stanie się dla naukowców niezbędnym narzędziem w identyfikowaniu tych odkryć” – mówi.
Odniesienie: „Potencjalne drugie odcięcie od AT2018fyk: zaktualizowana efemeryda orbitalna gwiazdy przetrwającej w ramach paradygmatu zdarzenia powtarzającego się częściowego zakłócenia pływowego” autorstwa Dheeraja Pashama, ER Coughlina, M. Guolo, T. Weversa, CJ Nixona, Jasona T. Hinkle’a i A. Bandopadhyay, 14 sierpnia 2024 r., Listy z dziennika astrofizycznego.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad57b3
