Kosmiczny mechanizm został rozszyfrowany we wzorcach zasilania czarnej dziury

Czarne dziury, wcześniej nieuchwytne i niewidoczne, wykryto poprzez obserwację zaburzeń pływowych (TDE), podczas których gwiazdy ulegają gwałtownemu niszczeniu, generując jasne rozbłyski, które można obserwować z dużych odległości.

Dramatyczne przyciemnienie źródła światła potwierdza jego położenie około 860 milionów lat świetlnych od Ziemi dokładność Ze szczegółowego modelu opracowanego przez zespół astrofizyków z Uniwersytetu Syracuse wynika, że Instytut Technologii MassachusettsI Instytut Naukowy Teleskopów Kosmicznych.

Zrozumienie czarnych dziur poprzez TDE

Potężne teleskopy m.in NASAObserwatoria rentgenowskie Hubble'a, Jamesa Webba i Chandra zapewniają naukowcom okno na przestrzeń kosmiczną, dzięki czemu mogą badać fizykę czarnych dziur. Chociaż można się zastanawiać, jak „zobaczyć” czarną dziurę, Czarna dziuraGwiazdy pochłaniające całe światło powstają dzięki zjawiskom zakłóceń pływowych (TDE), podczas których gwiazda zostaje zniszczona przez supermasywną czarną dziurę i może zasilić „świetlisty rozbłysk akrecyjny”. Dzięki jasności tysiące miliardów razy jaśniejszej od Słońca zdarzenia akrecyjne umożliwiają astrofizykom badanie supermasywnych czarnych dziur (SMBH) z kosmicznych odległości.

Do TDE dochodzi, gdy gwiazda zostaje gwałtownie rozerwana przez masywne pole grawitacyjne czarnej dziury. Gdy gwiazda pęka, jej pozostałości zamieniają się w strumień gruzu, który opada z powrotem na czarną dziurę, tworząc niezwykle gorący, jasny dysk materii krążący wokół czarnej dziury, zwany dyskiem akrecyjnym. Naukowcy mogą badać to zjawisko, aby dokonywać bezpośrednich obserwacji TDE i porównywać je z modelami teoretycznymi, aby powiązać obserwacje z właściwościami fizycznymi rozdartych gwiazd i rozerwanych 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 przyciemnianie AT2018fyk, powtarzającego się częściowego TDE, co oznacza, że ​​rdzeń gwiazdy o dużej gęstości uniknął interakcji grawitacyjnej z SMBH, umożliwiając jej orbitują wokół czarnej dziury i rozdzierają się więcej niż raz.

Model przewidywał, że AT2018fyk „przygaśnie” w sierpniu 2023 r., co potwierdziło się, gdy źródło zniknęło latem ubiegłego roku, dostarczając dowodów na to, że model oferuje nowy sposób badania fizyki czarnych dziur. Wyniki ich badań opublikowano w czasopiśmie Nature. the Listy do dzienników astrofizycznych.

Wysokie źródło energii

Dzięki niezwykle szczegółowym badaniom galaktyk naukowcy obserwują więcej przychodzących i odchodzących źródeł światła niż kiedykolwiek wcześniej. Przeglądy skanują całe półkule w poszukiwaniu nagłego rozjaśnienia lub przyciemnienia źródeł, co mówi badaczom, że coś się zmieniło. W przeciwieństwie do teleskopu w Twoim salonie, który skupia tylko światło widzialne, teleskopy takie jak Chandra mogą wykrywać źródła światła w tak zwanym widmie rentgenowskim emitowanym przez materię o temperaturze milionów stopni.

Światło widzialne 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 tworzący dysk „świeci” w różnych temperaturach, przy czym najgorętszy materiał znajduje się najbliżej czarnej dziury. Jednak zamiast emitować energię w zakresie fal optycznych widocznych dla oka, gorętszy gaz w dysku akrecyjnym emituje widmo rentgenowskie. Są to te same promienie rentgenowskie, których lekarze używają do obrazowania kości przechodzących przez tkanki miękkie, a ze względu na względną przezroczystość detektory używane przez teleskopy rentgenowskie NASA są specjalnie zaprojektowane do wykrywania tego wysokoenergetycznego promieniowania.

Powtarzający się występ

W styczniu 2023 roku zespół fizyków, w tym Eric Coughlin, profesor na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Syracuse i Dheeraj R. „D.J.” Basham, naukowiec z MIT i Thomas Wevers, pracownik Space Telescope Science Institute, napisali artykuł w Listy do dzienników astrofizycznych Zespół ten zaproponował szczegółowy model częściowego nawrotu TDE. Ich wyniki były pierwszymi, które pozwoliły na sporządzenie mapy orbity powrotu gwiazdy wokół supermasywnej czarnej dziury, ujawniając nowe informacje o jednym z najbardziej ekstremalnych środowisk we wszechświecie.

Zespół oparł swoje badania na zjawisku TDE znanym jako AT2018fyk (AT oznacza „przejściowe zjawiska astrofizyczne”), w którym zasugerowano, że gwiazda została przechwycona przez supermasywną czarną dziurę w procesie wymiany znanym jako „przechwytywanie grzbietu”. Pierwotnie jedna z dwóch gwiazd była częścią układu podwójnego (dwie gwiazdy krążące wokół siebie pod wpływem wzajemnej grawitacji) i założono, że jedna gwiazda została przechwycona przez pole grawitacyjne czarnej dziury, podczas gdy druga (nieprzechwycona) gwiazda została wyrzucona z centrum Galaktyki z prędkościami zbliżonymi do ~1000 km/s.

Po związaniu się z supermasywną czarną dziurą gwiazda zasilająca emisję z AT2018fyk jest wielokrotnie odrywana od zewnętrznej powłoki za każdym razem, gdy przechodzi przez najbliższe podejście do czarnej dziury. Pozbawione zewnętrzne warstwy gwiazdy tworzą jasny dysk akrecyjny, który naukowcy mogą badać za pomocą teleskopów rentgenowskich i ultrafioletowych/optycznych monitorujących światło z odległych galaktyk.

Chociaż TDE są zazwyczaj „jednorazowe”, ponieważ intensywne pole grawitacyjne supermasywnej czarnej dziury niszczy gwiazdę, co oznacza, że ​​supermasywna czarna dziura ponownie zapada w ciemność po rozbłysku akrecyjnym, AT2018fyk stworzyła wyjątkową okazję do zbadania powtarzającego się częściowego TDE.

Do pierwszych i kolejnych odkryć zespół badawczy wykorzystał trzy teleskopy: SWIFT i Chandra, oba obsługiwane przez NASA, oraz europejską misję XMM-Newton. AT2018fyk została po raz pierwszy dostrzeżona w 2018 roku w odległości około 860 milionów lat świetlnych od nas, co oznacza, że ​​ze względu na czas potrzebny światłu na podróż, wydarzyło się to w „czasie rzeczywistym” około 860 milionów lat temu.

Zespół wykorzystał szczegółowe modele, aby przewidzieć, że źródło światła nagle zniknie około sierpnia 2023 r., a następnie ponownie się rozjaśni, gdy w 2025 r. na czarnej dziurze zgromadzi się nowo pozbawiona materii.

Odkrywanie przyszłości: oczekiwania i implikacje

Potwierdzając dokładność swojego modelu, zespół odnotował spadek strumienia promieniowania rentgenowskiego w ciągu dwóch miesięcy, począwszy od 14 sierpnia 2023 r. Tę nagłą zmianę można zinterpretować jako drugie zatrzymanie emisji.

„Zamknięcie obserwowanej emisji pokazuje, że nasz model i założenia są wykonalne i wskazuje, że rzeczywiście widzimy gwiazdę powoli pożeraną przez odległą, niezwykle masywną czarną dziurę” – mówi Coughlin. „W naszym zeszłorocznym artykule wykorzystaliśmy ograniczenia początkowego rozbłysku, zanikania i ponownego rozjaśnienia, aby przewidzieć, że AT2018fyk powinna wykazywać nagłe i szybkie zanikanie w sierpniu 2023 r. Jeśli Gwiazda przeżyła drugie spotkanie, które doprowadziło do drugiego rozbłysku.

Fakt, że system wykazał to oczekiwane zamknięcie, wskazuje na kilka różnic między gwiazdą a czarną dziurą:

• Gwiazda przeżyła drugie spotkanie z czarną dziurą;
• Tempo powrotu pozbawionych zanieczyszczeń do czarnej dziury jest ściśle powiązane z jasnością AT2018fyk;
• Okres obiegu gwiazdy wokół czarnej dziury wynosi około 1300 dni, czyli około 3,5 roku.

Druga granica wskazuje, że kolejne ponowne rozjaśnienie powinno nastąpić między majem a sierpniem 2025 r., a jeśli gwiazda przeżyje drugie spotkanie, oczekuje się, że trzecie przejaśnienie nastąpi między styczniem a lipcem 2027 r.

Jeśli chodzi o to, czy możemy liczyć na ponowne rozjaśnienie w 2025 r., Coughlin twierdzi, że odkrycie drugiego cięcia oznacza, że ​​gwiazda została ostatnio pozbawiona większej masy, która musi powrócić do czarnej dziury, aby wytworzyć trzecią jasność.

„Jedyną niewiadomą jest szczyt emisji” – mówi. „Drugi pik ponownego rozjaśnienia był znacznie słabszy niż pierwszy i szkoda, że ​​trzeci rozbłysk mógł być słabszy. To jedyna rzecz, która może ograniczyć wykrywalność tego trzeciego wybuchu.

Coughlin wskazuje, że model ten stanowi nowy, ekscytujący sposób badania częstotliwości niezwykle rzadkich częściowych TDE, które, jak się uważa, występują raz na milion lat w danej galaktyce. Jak twierdzi, naukowcy natknęli się dotychczas tylko na cztery lub pięć systemów wykazujących takie zachowanie.

„Wraz z pojawieniem się ulepszonej technologii wykrywania, która wykrywa częstsze częściowe TDE, spodziewamy się, że model ten stanie się dla naukowców niezbędnym narzędziem w identyfikowaniu tych odkryć” – mówi.

Odniesienie: „Możliwe drugie wyłączenie AT2018fyk: zaktualizowany kalendarz orbitalny ocalałej gwiazdy w modelu zdarzenia powtarzającego się częściowego zakłócenia pływowego” autorstwa Dheeraja Bashama, E.R. Coughlina i M. Gulo i T. Weavers, C.J. Nixon i Jason T. Hinkle i A. Bandopadhyay, 14 sierpnia 2024 r., Listy do dzienników astrofizycznych.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad57b3