Rozwikłaj tajemnicę zaburzeń pływowych

Supermasywne czarne dziury zakłócają lub niszczą pobliskie gwiazdy, prowadząc do zaburzeń pływowych (TDE). Obserwacje światła spolaryzowanego z TDE ujawniły teraz kluczowe szczegóły dotyczące zachodzących procesów.

Wszechświat to brutalne miejsce, więc życie gwiazdy może zostać tutaj przerwane. Dzieje się tak, gdy gwiazda znajduje się w „złym” sąsiedztwie, szczególnie w pobliżu masywnej gromady Czarna dziura.

Te czarne dziury, które mają masę miliony, a nawet miliardy razy większą niż nasze Słońce, zwykle znajdują się w centrach cichych galaktyk. Gdy gwiazda oddala się od czarnej dziury, doświadcza przyciągania grawitacyjnego w górę od supermasywnej czarnej dziury, które ostatecznie pokonuje siły utrzymujące gwiazdę w stanie nienaruszonym. Powoduje to rozerwanie lub zniszczenie gwiazdy, zdarzenie znane jako rozerwanie pływowe (TDE).

„Po pęknięciu gwiazdy jej gaz tworzy dysk akrecyjny wokół czarnej dziury. Jasne rozbłyski z dysku można obserwować na prawie wszystkich długościach fal, szczególnie za pomocą teleskopów i satelitów wykrywających promieniowanie rentgenowskie” – mówi doktor habilitowany Yannis Lioudakis z Uniwersytetu w Turku i Fińskiego Centrum Astronomii. ESO (vinca).

Do niedawna tylko kilku badaczy wiedziało o TDE, ponieważ nie było wielu eksperymentów zdolnych do jego wykrycia. Jednak w ostatnich latach naukowcy opracowali narzędzia do monitorowania większej liczby TDE. Co ciekawe, ale być może nie zaskakujące, obserwacje te doprowadziły do ​​nowych tajemnic, które obecnie badają naukowcy.

„Obserwacje z wielkoskalowych eksperymentów z teleskopami optycznymi ujawniły, że duża liczba TDE nie wytwarza promieniowania rentgenowskiego, mimo że rozbłyski światła widzialnego można wyraźnie wykryć. Odkrycie to przeczy naszemu podstawowemu zrozumieniu ewolucji materii gwiezdnej zaburzonej w TDE” – zauważa Liodakis.

Podczas rozerwania pływowego gwiazda zbliża się na tyle blisko supermasywnej czarnej dziury, że przyciąganie grawitacyjne czarnej dziury wygina gwiazdę, aż zostanie zniszczona (zdjęcie 1). Materia międzygwiazdowa ze zniszczonej gwiazdy tworzy eliptyczny strumień wokół czarnej dziury (zdjęcie 2). Wstrząsy pływowe tworzą się wokół czarnej dziury, gdy gaz uderza w siebie w drodze powrotnej po okrążeniu czarnej dziury (zdjęcie 3). Wstrząsy pływowe tworzą jasne rozbłyski spolaryzowanego światła, które można zaobserwować w zakresie optycznym i ultrafioletowym. Z biegiem czasu gaz ze zniszczonej gwiazdy tworzy dysk akrecyjny wokół czarnej dziury (zdjęcie 4), gdy jest powoli wciągany do czarnej dziury. Uwaga: rozmiar obrazu nie jest dokładny. Źródło: Jenny Gurmaninen

Badanie opublikowane w czasopiśmie Nauki Międzynarodowy zespół astronomów kierowany przez Fińskie Centrum Astronomii wraz z ESO sugeruje, że spolaryzowane światło pochodzące z TDE może być kluczem do rozwiązania tej zagadki.

Zamiast tworzyć jasny rentgenowski dysk akrecyjny wokół czarnej dziury, rozbłysk obserwowany w świetle optycznym i ultrafiolecie wykrytym w wielu TDE może pochodzić z wstrząsów pływowych. Wstrząsy te powstają daleko od czarnej dziury, gdy gaz ze zniszczonej gwiazdy uderza w siebie w drodze powrotnej po okrążeniu czarnej dziury. Jasny rentgenowski dysk akrecyjny uformowałby się później w tych wydarzeniach.

„Polaryzacja światła może dostarczyć unikalnych informacji o podstawowych procesach zachodzących w układach astrofizycznych. Spolaryzowane światło, które zmierzyliśmy z TDE, można wytłumaczyć jedynie tymi wstrząsami pływowymi” – mówi Lioudakis, główny autor badań.

Światło spolaryzowane pomogło naukowcom zrozumieć destrukcję gwiazd

Pod koniec 2020 roku zespół otrzymał publiczne ostrzeżenie z satelity Gaia o przejściowym zdarzeniu jądrowym w pobliskiej galaktyce, zidentyfikowanym jako AT 2020mot. Następnie naukowcy obserwowali AT 2020mot w szerokim zakresie długości fal, w tym obserwacje polaryzacji optycznej i spektroskopii przeprowadzone na Skandynawskim Teleskopie Optycznym (NOT), należącym do Uniwersytetu w Turku. Obserwacje wykonane w NOT były szczególnie pomocne w umożliwieniu tego odkrycia. Ponadto obserwacje polaryzacji wykonano w ramach kursu astronomii obserwacyjnej dla uczniów szkół średnich.

„Skandynawski Teleskop Optyczny i polarymetr, których używamy w badaniach, odegrały kluczową rolę w naszych wysiłkach na rzecz zrozumienia supermasywnych czarnych dziur i ich otoczenia” – mówi doktorantka Jenny Jormaninen z FINCA i Uniwersytetu w Turku, która prowadziła obserwacje i analizy polaryzacji za pomocą NOT.

Naukowcy odkryli, że światło optyczne pochodzące z AT 2020mot było silnie spolaryzowane i zmieniało się w czasie. Pomimo wielu prób ani radio, ani rentgenowskie teleskopy nie były w stanie wykryć promieniowania z tego zdarzenia przed, w trakcie, a nawet miesiące po szczycie erupcji.

„Kiedy zobaczyliśmy, jak spolaryzowany jest AT2020mot, od razu pomyśleliśmy o dżecie wystrzelonym z czarnej dziury, co często obserwujemy wokół supermasywnych czarnych dziur, które gromadzą otaczający gaz. Jednak żadnego dżetu nie znaleziono” – mówi Elena Lindfors, pracownik naukowy z University of Turku and Fenca.

Zespół astronomów zdał sobie sprawę, że dane ściśle pasują do scenariusza, w którym strumień gazu międzygwiezdnego zderza się ze sobą i tworzy wybrzuszenia w pobliżu środka i przodu swojej orbity wokół czarnej dziury. Wstrząsy następnie wzmacniają pole magnetyczne i układają je w gwiezdny strumień, który w naturalny sposób doprowadzi do wysoce spolaryzowanego światła. Poziom polaryzacji optycznej był zbyt wysoki, aby można go było wytłumaczyć większością modeli, a fakt, że zmieniał się w czasie, jeszcze bardziej go utrudniał.

„Wszystkie modele, którym się przyglądaliśmy, nie mogły wyjaśnić obserwacji, z wyjątkiem modelu szoku pływowego” – zauważa Kari Kollionen, który był astronomem w FINCA w czasie obserwacji, a obecnie pracuje na Norweskim Uniwersytecie Nauki i Technologii (NTNU).

Naukowcy będą nadal monitorować spolaryzowane światło pochodzące z TDE i być może wkrótce dowiedzą się więcej o tym, co dzieje się po zderzeniu gwiazdy.

Odniesienie: „Polaryzacja optyczna spowodowana kolizją strumienia gwiezdnego w przypadku zakłóceń pływowych” autorstwa I.A. Leodakis, KII Koljonen, D. Blinov, E. Lindfors, KD Alexander, T. Hovatta, M. Berton, A. Hajela, J. Jormanainen, K. Kouroumpatzakis, N. Mandarakas i K.
DOI: 10.1126/science.abj9570