Dramatyczne przyciemnienie źródła światła oddalonego od Ziemi o około 860 milionów lat świetlnych potwierdza dokładność szczegółowego modelu opracowanego przez zespół astrofizyków, w tym profesora Uniwersytetu Syracuse, Erica Coughlina.
Potężne teleskopy, takie jak Hubble NASA, James Webb i Chandra X-ray Observatory, zapewniają naukowcom okno na głęboką przestrzeń kosmiczną, aby mogli badać fizykę czarnych dziur. Podczas gdy można się zastanawiać, jak można „zobaczyć” czarną dziurę, która słynie z pochłaniania całego światła, jest to możliwe dzięki zdarzeniom rozerwania pływowego (TDE) — gdy gwiazda zostaje zniszczona przez supermasywną czarną dziurę i może zasilić „świetlisty rozbłysk akrecyjny”. Z jasnościami tysiące miliardów razy jaśniejszymi od Słońca zdarzenia akrecyjne umożliwiają astrofizykom badanie supermasywnych czarnych dziur (SMBH) w odległościach kosmologicznych.
TDE występują, gdy gwiazda jest gwałtownie rozrywana przez ogromne pole grawitacyjne czarnej dziury. Gdy gwiazda jest rozrywana, jej pozostałości przekształcają się w strumień szczątków, który opada z powrotem na czarną dziurę, tworząc bardzo gorący, bardzo jasny dysk materii wirujący wokół czarnej dziury, zwany dyskiem akrecyjnym. Naukowcy mogą je badać, aby dokonywać bezpośrednich obserwacji TDE i porównywać je z modelami teoretycznymi, aby powiązać obserwacje z właściwościami fizycznymi rozbitych gwiazd i ich rozbijających czarnych dziur.
Zespół fizyków z Syracuse University, MIT i Space Telescope Science Institute wykorzystał szczegółowe modelowanie, aby przewidzieć rozjaśnianie i przyciemnianie AT2018fyk, co jest powtarzającym się częściowym TDE, co oznacza, że jądro gwiazdy o dużej gęstości przetrwało oddziaływanie grawitacyjne z SMBH, co pozwoliło mu okrążyć czarną dziurę i zostać rozdrobnionym więcej niż raz. Model przewidział, że AT2018fyk „przyciemni” w sierpniu 2023 r., prognoza ta została potwierdzona, gdy źródło zgasło latem ubiegłego roku, dostarczając dowodów na to, że ich model oferuje nowy sposób badania fizyki czarnych dziur. Ich wyniki zostały opublikowane w The Astrophysical Journal Letters.
Źródło wysokiej energii
Dzięki niezwykle szczegółowym badaniom pozagalaktycznym naukowcy monitorują więcej nadchodzących i odchodzących źródeł światła niż kiedykolwiek wcześniej. Badania 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 tym, co nazywa się widmem rentgenowskim emitowanym z materiału o temperaturze milionów stopni.
Zarówno światło widzialne, jak i promienie rentgenowskie są formami promieniowania elektromagnetycznego, ale promienie rentgenowskie mają krótsze długości fal i więcej energii. Podobnie jak piec staje się „czerwono gorący” po jego włączeniu, gaz tworzący dysk „świeci” w różnych temperaturach, przy czym najgorętszy materiał znajduje się najbliżej czarnej dziury. Jednak zamiast emitować energię na długościach fal optycznych widocznych dla oka, najgorętszy gaz w dysku akrecyjnym emituje w widmie rentgenowskim. Są to te same promienie rentgenowskie, których lekarze używają do obrazowania kości i które mogą przechodzić przez tkanki miękkie, a ze względu na tę względną przejrzystość detektory używane przez teleskopy rentgenowskie NASA są specjalnie zaprojektowane do wykrywania tego wysokoenergetycznego promieniowania.
Powtórka występu
W styczniu 2023 r. zespół fizyków, w tym Eric Coughlin, profesor na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Syracuse, Dheeraj R. „DJ” Pasham, naukowiec badawczy w MIT i Thomas Wevers, pracownik naukowy w Space Telescope Science Institute, opublikował artykuł w The Astrophysical Journal Letters, w którym zaproponowano szczegółowy model powtarzającego się częściowego TDE. Ich wyniki były pierwszymi, które mapowały zaskakującą orbitę powrotną gwiazdy wokół supermasywnej czarnej dziury — ujawniając nowe informacje o jednym z najbardziej ekstremalnych środowisk w kosmosie.
Zespół oparł swoje badania na TDE znanym jako AT2018fyk (AT oznacza „Astrophysical Transient”), w którym zaproponowano, aby gwiazda została przechwycona przez SMBH poprzez proces wymiany znany jako „przechwytywanie Hillsa”. Pierwotnie część układu podwójnego (dwie gwiazdy krążące wokół siebie pod wpływem wzajemnego przyciągania grawitacyjnego), jedna z gwiazd została przypuszczalnie przechwycona przez pole grawitacyjne czarnej dziury, a druga (nieprzechwycona) gwiazda została wyrzucona z centrum galaktyki z prędkością porównywalną do ~1000 km/s.
Po związaniu z SMBH gwiazda zasilająca emisję z AT2018fyk była wielokrotnie pozbawiana zewnętrznej otoczki za każdym razem, gdy przechodziła przez punkt największego zbliżenia do czarnej dziury. Zdjęte zewnętrzne warstwy gwiazdy tworzą jasny dysk akrecyjny, który naukowcy mogą badać za pomocą teleskopów rentgenowskich i ultrafioletowych/optycznych, które obserwują światło z odległych galaktyk.
Podczas gdy zwykle TDE są zjawiskiem jednorazowym, ponieważ ekstremalne pole grawitacyjne SMBH niszczy gwiazdę, co oznacza, że SMBH ponownie pogrąża się w ciemności po rozbłysku akrecyjnym, AT2018fyk oferuje wyjątkową okazję do zbadania powtarzającego się częściowego TDE.
Zespół badawczy użył trzech teleskopów, aby dokonać początkowych i późniejszych detekcji: Swift i Chandra, oba obsługiwane przez NASA, oraz XMM-Newton, który jest europejską misją. Pierwszy raz zaobserwowany w 2018 r., AT2018fyk znajduje się ~ 870 milionów lat świetlnych stąd, co oznacza, że ze względu na czas, jaki zajmuje światłu podróż, wydarzyło się to w „czasie rzeczywistym” ~ 870 milionów lat temu.
Zespół wykorzystał szczegółowe modelowanie, aby przewidzieć, że źródło światła nagle zniknie około sierpnia 2023 r. i ponownie rozbłyśnie, gdy świeżo oderwany materiał opadnie na czarną dziurę w 2025 r.
Walidacja modelu
Potwierdzając dokładność swojego modelu, zespół poinformował o spadku strumienia promieniowania rentgenowskiego w ciągu dwóch miesięcy, począwszy od 14 sierpnia 2023 r. Tę nagłą zmianę można interpretować 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 artykule z zeszłego roku wykorzystaliśmy ograniczenia z początkowego wybuchu, przyciemnienia i ponownego rozjaśnienia, aby przewidzieć, że AT2018fyk powinna wykazywać nagłe i szybkie przyciemnienie w sierpniu 2023 r., jeśli gwiazda przetrwała drugie spotkanie, które zasiliło drugie rozjaśnienie”.
Fakt, że układ wykazywał przewidywane wyłączenie, wskazuje na kilka różnic między gwiazdą a czarną dziurą:
gwiazda przetrwała drugie spotkanie z czarną dziurą; szybkość powrotu oderwanych szczątków do czarnej dziury jest ściśle powiązana z jasnością AT2018fyk; a okres orbitalny gwiazdy wokół czarnej dziury wynosi ~1300 dni, czyli około 3,5 roku.
Drugi punkt odcięcia oznacza, że kolejne rozjaśnienie powinno nastąpić między majem a sierpniem 2025 r., a jeśli gwiazda przetrwała 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 gwiazda straciła niedawno większą ilość masy, która powinna powrócić do czarnej dziury i spowodować trzecie rozjaśnienie.
„Jedyną niepewnością jest szczyt emisji” – mówi. „Drugi ponownie rozjaśniony szczyt był znacznie słabszy od pierwszego i niestety możliwe jest, że trzeci wybuch będzie jeszcze słabszy. To jedyna rzecz, która ograniczałaby wykrywalność tego trzeciego wybuchu”.
Coughlin zauważa, że ten model oznacza ekscytujący nowy sposób badania niezwykle rzadkich przypadków powtarzających się częściowych TDE, które, jak się uważa, zdarzają się raz na milion lat w danej galaktyce. Jak twierdzi, do tej pory naukowcy napotkali tylko cztery do pięciu układów, które wykazują takie zachowanie.
„Wraz z pojawieniem się udoskonalonej technologii wykrywania, pozwalającej na odkrywanie większej liczby powtarzających się częściowych TDE, przewidujemy, że model ten stanie się dla naukowców niezbędnym narzędziem przy identyfikowaniu tego typu odkryć” – mówi.