W 2019 roku astronomowie zaobserwowali najbliższy do tej pory przykład gwiazdy, która została rozdrobniona lub „spaghettyfikowana” po zbliżeniu się zbyt blisko masywnej czarnej dziury.
To pływowe rozerwanie gwiazdy podobnej do Słońca przez czarną dziurę milion razy masywniejszą od niej miało miejsce 215 milionów lat świetlnych od Ziemi. Na szczęście było to pierwsze takie zdarzenie na tyle jasne, że astronomowie z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley mogli zbadać światło optyczne śmierci gwiazdy, a konkretnie polaryzację światła, aby dowiedzieć się więcej o tym, co wydarzyło się po rozerwaniu gwiazdy.
Ich obserwacje z 8 października 2019 r. sugerują, że duża część materii gwiazdy została zdmuchnięta z dużą prędkością – do 10 000 kilometrów na sekundę – i utworzyła kulisty obłok gazu, który zablokował większość wytwarzanych wysokoenergetycznych emisji gdy czarna dziura pochłonęła resztę gwiazdy.
Wcześniej inne obserwacje światła optycznego z wybuchu, nazwane AT2019qiz, ujawniły, że znaczna część materii gwiazdy została wystrzelona na zewnątrz przy silnym wietrze. Ale nowe dane na temat polaryzacji światła, która zasadniczo wynosiła zero na widzialnych lub optycznych długościach fal, gdy zdarzenie było najjaśniejsze, mówią astronomom, że obłok był prawdopodobnie sferycznie symetryczny.
„Po raz pierwszy ktokolwiek wywnioskował kształt obłoku gazu wokół pływowo spaghetifikowanej gwiazdy” – powiedział Alex Filippenko, profesor astronomii na UC Berkeley i członek zespołu badawczego.
Wyniki potwierdzają jedną odpowiedź na pytanie, dlaczego astronomowie nie widzą promieniowania wysokoenergetycznego, takiego jak promieniowanie rentgenowskie, z wielu z dziesiątek obserwowanych do tej pory zdarzeń rozerwania pływów: promienie X, które są wytwarzane przez materię wyrwaną z gwiazdy i wciągnięte w dysk akrecyjny wokół czarnej dziury przed opadnięciem do wewnątrz, są zasłaniane przez gaz wydmuchiwany na zewnątrz przez silne wiatry z czarnej dziury.
„Ta obserwacja wyklucza klasę rozwiązań, które zostały zaproponowane teoretycznie i daje nam silniejsze ograniczenie tego, co dzieje się z gazem wokół czarnej dziury” – powiedział Kishore Patra, doktorant Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, główny autor badania. „Ludzie widzieli inne dowody na to, że wiatr wydobywa się z tych wydarzeń i myślę, że to badanie polaryzacji zdecydowanie wzmacnia ten dowód, w tym sensie, że nie można uzyskać geometrii sferycznej bez wystarczającej ilości wiatru. Ciekawy fakt tutaj jest to, że znaczna część materii gwiazdy, która krąży spiralnie do wewnątrz, w końcu nie wpada do czarnej dziury – jest oderwana od czarnej dziury”.
Polaryzacja ujawnia symetrię
Wielu teoretyków postawiło hipotezę, że gwiezdne szczątki tworzą ekscentryczny, asymetryczny dysk po rozerwaniu, ale oczekuje się, że ekscentryczny dysk będzie wykazywał stosunkowo wysoki stopień polaryzacji, co oznaczałoby, że być może kilka procent całego światła jest spolaryzowane. Nie zaobserwowano tego w przypadku tego zdarzenia rozerwania pływów.
„Jedną z najbardziej szalonych rzeczy, jaką może zrobić supermasywna czarna dziura, jest rozerwanie gwiazdy przez jej ogromne siły pływowe” – powiedział członek zespołu Wenbin Lu, adiunkt astronomii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. „Te gwiezdne zakłócenia pływowe są jednym z niewielu sposobów, w jaki astronomowie wiedzą o istnieniu supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk i mierzą ich właściwości. skomplikowane procesy po zakłóceniu pływowym.”
Drugi zestaw obserwacji 6 listopada, 29 dni po październikowej obserwacji, ujawnił, że światło było bardzo słabo spolaryzowane, około 1%, co sugeruje, że obłok rozrzedził się wystarczająco, aby ujawnić asymetryczną strukturę gazu wokół czarnej dziury. Obie obserwacje pochodziły z 3-metrowego teleskopu Shane’a w Obserwatorium Licka niedaleko San Jose w Kalifornii, który jest wyposażony w spektrograf Kasta, instrument, który może określić polaryzację światła w pełnym widmie optycznym. Światło ulega polaryzacji – jego pole elektryczne wibruje głównie w jednym kierunku – kiedy rozprasza elektrony w chmurze gazu.
„Sam dysk akrecyjny jest wystarczająco gorący, aby emitować większość swojego światła w promieniowaniu rentgenowskim, ale to światło musi przejść przez ten obłok i jest wiele rozpraszań, absorpcji i reemisji światła, zanim zdoła uciec z tego obłoku” – powiedział Patra. „W każdym z tych procesów światło traci część swojej energii fotonu, przechodząc aż do energii ultrafioletowej i optycznej. Ostateczne rozproszenie określa następnie stan polaryzacji fotonu. Tak więc, mierząc polaryzację, możemy wywnioskować geometrię powierzchni, na której następuje ostateczne rozproszenie”.
Patra zauważył, że ten scenariusz na łożu śmierci może dotyczyć tylko normalnych zakłóceń pływowych – a nie „dziwaków”, w których relatywistyczne strumienie materii są wyrzucane z biegunów czarnej dziury. Dopiero kolejne pomiary polaryzacji światła z tych wydarzeń odpowiedzą na to pytanie.
„Badania polaryzacyjne są bardzo trudne i niewiele osób na całym świecie jest wystarczająco dobrze zorientowanych w tej technice, aby to wykorzystać” – powiedział. „Więc jest to niezbadane terytorium dla zdarzeń związanych z zakłóceniami pływowymi”.
Patra, Filippenko, Lu i badacz z UC Berkeley Thomas Brink, doktorant Sergiy Vasylyev i habilitant Yi Yang przedstawili swoje obserwacje w artykule, który został zaakceptowany do publikacji w czasopiśmie Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Chmura 100 razy większa niż orbita Ziemi
Naukowcy z UC Berkeley obliczyli, że spolaryzowane światło było emitowane z powierzchni kulistego obłoku o promieniu około 100 jednostek astronomicznych (au), 100 razy dalej od gwiazdy niż Ziemia od Słońca. Poświata optyczna gorącego gazu emanowała z obszaru około 30 ja.
Obserwacje spektropolarymetryczne z 2019 r. – technika mierząca polaryzację na wielu długościach fal światła – dotyczyły AT2019qiz, zakłócenia pływowego zlokalizowanego w spiralnej galaktyce w konstelacji Eridanus. Zerowa polaryzacja całego widma w październiku wskazuje na sferycznie symetryczny obłok gazu – wszystkie spolaryzowane fotony równoważą się nawzajem. Niewielka polaryzacja pomiarów listopadowych wskazuje na niewielką asymetrię. Ponieważ te zakłócenia pływowe występują tak daleko, w centrach odległych galaktyk, pojawiają się jedynie jako punkt świetlny, a polaryzacja jest jednym z nielicznych wskaźników kształtu obiektów.
„Te zdarzenia zakłócające są tak odległe, że nie można ich tak naprawdę rozwiązać, więc nie można zbadać geometrii zdarzenia ani struktury tych eksplozji” – powiedział Filippenko. „Ale badanie spolaryzowanego światła w rzeczywistości pomaga nam wydedukować pewne informacje o rozkładzie materii podczas tej eksplozji lub, w tym przypadku, o tym, jak kształtuje się gaz – i prawdopodobnie dysk akrecyjny – wokół tej czarnej dziury”.
Praca była wspierana przez Instytut Podstawowych Badań Naukowych Uniwersytetu Kalifornijskiego Berkeley Miller, Fundusz Christophera R. Redlicha, Sunila Nagaraja, Landona Nolla, Sandy Otellini, Gary’ego i Cynthię Bengier, Clarka i Sharon Winslowów, Sandy Robertson i Stephena Nelsona. Badania w Obserwatorium Licka są częściowo wspierane hojnym prezentem od Google. Poważna modernizacja, kierowana przez Brada Holdena, spektrografu Kast na 3-metrowym teleskopie C. Donald Shane w Obserwatorium Licka była możliwa dzięki hojnym darom od Fundacji Heising-Simons, Williama i Mariny Kasta oraz Obserwatorium Uniwersytetu Kalifornijskiego.