En stjernes uventede overlevelse

En stjernes uventede overlevelse

Tidsstempel: 14. januar 2023 kl. 3
Kildeknude: 1895292
14. januar 2023 (Nanowerk nyheder) Hundredvis af millioner lysår væk i en fjern galakse bliver en stjerne, der kredser om et supermassivt sort hul, voldsomt revet fra hinanden under det sorte huls enorme tyngdekraft. Efterhånden som stjernen rives i stykker, omdannes dens rester til en strøm af affald, der regner tilbage på det sorte hul for at danne en meget varm, meget lys skive af materiale, der hvirvler rundt om det sorte hul, kaldet en tilvækstskive. Dette fænomen – hvor en stjerne ødelægges af et supermassivt sort hul og giver næring til en lysende tilvækst flare – er kendt som en tidevandsforstyrrelseshændelse (TDE), og det forudsiges, at TDE'er forekommer omtrent en gang hvert 10,000 til 100,000 år i en given galakse. Med lysstyrker, der overstiger hele galakser (dvs. milliarder af gange lysere end vores sol) i korte perioder (måneder til år), gør tilvækstbegivenheder det muligt for astrofysikere at studere supermassive sorte huller (SMBH'er) fra kosmologiske afstande, hvilket giver et vindue ind til de centrale områder af ellers hvilende – eller sovende – galakser. Ved at undersøge disse "stærk-tyngdekraft"-begivenheder, hvor Einsteins generelle relativitetsteori er afgørende for at bestemme, hvordan stof opfører sig, giver TDE'er information om et af de mest ekstreme miljøer i universet: begivenhedshorisonten - point of no return - af et sort hul. Denne illustration viser en glødende strøm af materiale fra en stjerne, mens den bliver fortæret af et supermassivt sort hul i en tidevandsafbrydelse Denne illustration viser en glødende strøm af materiale fra en stjerne, mens den bliver fortæret af et supermassivt sort hul i en tidevandsafbrydelse. Når en stjerne passerer inden for en vis afstand af et sort hul - tæt nok til at blive forstyrret af tyngdekraften - bliver stjernematerialet strakt og komprimeret, når det falder ned i det sorte hul. (Billede: NASA/JPL-Caltech) TDE'er er normalt "once-and-done", fordi det ekstreme tyngdefelt af SMBH ødelægger stjernen, hvilket betyder, at SMBH falmer tilbage i mørket efter tilvæksten. I nogle tilfælde kan stjernens kerne med høj tæthed dog overleve tyngdekraftens interaktion med SMBH, hvilket gør det muligt for den at kredse om det sorte hul mere end én gang. Forskere kalder dette en gentagen delvis TDE. Et team af fysikere, herunder hovedforfatter Thomas Wevers, Fellow of European Southern Observatory, og medforfatterne Eric Coughlin, assisterende professor i fysik ved Syracuse University, og Dheeraj R. "DJ" Pasham, forsker ved MIT's Kavli Institute for Astrophysics og Space Research, har foreslået en model for en gentagen delvis TDE. Deres resultater, offentliggjort i Astrophysical Journal Letters ("Live to Die Another Day: The Rebrightening of AT 2018fyk as a Repeating Partial Tidal Disruption Event"), beskriv indfangningen af ​​stjernen af ​​en SMBH, stripningen af ​​materialet hver gang stjernen kommer tæt på det sorte hul, og forsinkelsen mellem hvornår materialet er strippet, og når det føder det sorte hul igen. Holdets arbejde er det første til at udvikle og bruge en detaljeret model af en gentagen delvis TDE til at forklare observationerne, lave forudsigelser om orbitale egenskaber for en stjerne i en fjern galakse og forstå den delvise tidevandsafbrydelsesproces.

[Indlejret indhold]

Animation, der beskriver det videnskabelige resultat. Holdet studerer en TDE kendt som AT2018fyk (AT står for "Astrophysical Transient"). Stjernen blev fanget af en SMBH gennem en udvekslingsproces kendt som "Hills capture", hvor stjernen oprindeligt var en del af et binært system (to stjerner, der kredser om hinanden under deres gensidige gravitationstiltrækning), som blev revet fra hinanden af ​​gravitationsfeltet af det sorte hul. Den anden (ikke-fangede) stjerne blev slynget ud fra centrum af galaksen med hastigheder svarende til ~ 1000 km/s, hvilket er kendt som en hyperhastighedsstjerne. Når først den er bundet til SMBH, er stjernen, der driver emissionen fra AT2018fyk, gentagne gange blevet fjernet fra sin ydre konvolut, hver gang den passerer gennem dets nærmeste tilgang med det sorte hul. De strippede ydre lag af stjernen danner den lyse tilvækstskive, som forskere kan studere ved hjælp af røntgen- og ultraviolette/optiske teleskoper, der observerer lys fra fjerne galakser. Ifølge Wevers giver muligheden for at studere en delvis TDE en hidtil uset indsigt i eksistensen af ​​supermassive sorte huller og stjernernes orbitale dynamik i galaksernes centre. "Indtil nu har antagelsen været, at når vi ser eftervirkningerne af et tæt møde mellem en stjerne og et supermassivt sort hul, vil udfaldet være fatalt for stjernen, det vil sige, at stjernen er fuldstændig ødelagt," siger han. "Men i modsætning til alle andre TDE'er, vi kender til, opdagede vi, da vi pegede vores teleskoper mod det samme sted igen flere år senere, at det var blevet lysere igen. Dette fik os til at foreslå, at i stedet for at være dødelig overlevede en del af stjernen det første møde og vendte tilbage til det samme sted for at blive strippet for materiale endnu en gang, hvilket forklarer den genoplysende fase." Først opdaget i 2018, blev AT2018fyk oprindeligt opfattet som en almindelig TDE. I cirka 600 dage forblev kilden lys i røntgenstrålen, men blev så pludselig mørk og var uopdagelig - et resultat af, at den stjernelevende kerne vendte tilbage til et sort hul, forklarer MIT-fysiker Dheeraj R. Pasham. "Når kernen vender tilbage til det sorte hul, stjæler den i det væsentlige al gassen væk fra det sorte hul via tyngdekraften, og som et resultat heraf er der ingen ting at akkretere, og derfor bliver systemet mørkt," siger Pasham. Det var ikke umiddelbart klart, hvad der forårsagede det bratte fald i lysstyrken af ​​AT2018fyk, fordi TDE'er normalt henfalder jævnt og gradvist - ikke brat - i deres emission. Men omkring 600 dage efter faldet blev kilden igen fundet at være røntgenlys. Dette fik forskerne til at foreslå, at stjernen overlevede sit tætte møde med SMBH første gang og var i kredsløb om det sorte hul. Ved hjælp af detaljeret modellering tyder holdets resultater på, at stjernens omløbsperiode omkring det sorte hul er omkring 1,200 dage, og det tager cirka 600 dage for det materiale, der udskilles fra stjernen, at vende tilbage til det sorte hul og begynde at samle sig. Deres model begrænsede også størrelsen af ​​den fangede stjerne, som de mener var omtrent på størrelse med solen. Hvad angår den originale binære, mener holdet, at de to stjerner var ekstremt tæt på hinanden, før de blev revet fra hinanden af ​​det sorte hul, som sandsynligvis kredsede om hinanden med få dages mellemrum. Så hvordan kunne en stjerne overleve sin børste med døden? Det hele kommer ned til et spørgsmål om nærhed og bane. Hvis stjernen kolliderede frontalt med det sorte hul og passerede begivenhedshorisonten - tærsklen, hvor den nødvendige hastighed for at undslippe det sorte hul overstiger lysets hastighed - ville stjernen blive forbrugt af det sorte hul. Hvis stjernen passerede meget tæt på det sorte hul og krydsede den såkaldte "tidevandsradius" - hvor hullets tidevandskraft er stærkere end den gravitationskraft, der holder stjernen sammen - ville den blive ødelagt. I den model, de har foreslået, når stjernens bane et punkt med den nærmeste tilgang, der er lige uden for tidevandsradius, men krydser den ikke helt: noget af materialet ved stjerneoverfladen er strippet af det sorte hul, men materiale i dets centrum forbliver intakt. Hvordan, eller om, processen med stjernen, der kredser om SMBH, kan forekomme over mange gentagne passager, er et teoretisk spørgsmål, som holdet planlægger at undersøge med fremtidige simuleringer. Syracuse-fysiker Eric Coughlin forklarer, at de estimerer, at mellem 1 og 10% af stjernens masse går tabt, hver gang den passerer det sorte hul, med den store rækkevidde på grund af usikkerhed i modelleringen af ​​emissionen fra TDE. "Hvis massetabet kun er på 1% niveau, så forventer vi, at stjernen vil overleve i mange flere møder, mens hvis det er tættere på 10%, kan stjernen allerede være blevet ødelagt," bemærker Coughlin. Holdet vil holde øjnene mod himlen i de kommende år for at teste deres forudsigelser. Baseret på deres model forudsiger de, at kilden brat vil forsvinde omkring marts 2023 og lyse igen, når det nystrippede materiale samler sig på det sorte hul i 2025. Holdet siger, at deres undersøgelse tilbyder en ny vej frem til sporing og overvågning af opfølgningskilder, der er blevet opdaget i fortiden. Arbejdet foreslår også et nyt paradigme for oprindelsen af ​​gentagne udbrud fra centre af eksterne galakser. "I fremtiden er det sandsynligt, at flere systemer vil blive tjekket for senere udbrud, især nu, hvor dette projekt fremlægger et teoretisk billede af stjernefangsten gennem en dynamisk udvekslingsproces og den efterfølgende gentagne delvise tidevandsafbrydelse." siger Coughlin. "Vi håber, at denne model kan bruges til at udlede egenskaberne af fjerne supermassive sorte huller og få en forståelse af deres "demografi", som er antallet af sorte huller inden for et givet masseområde, hvilket ellers er svært at opnå direkte." Holdet siger, at modellen også laver adskillige testbare forudsigelser om tidevandsafbrydelsesprocessen, og med flere observationer af systemer som AT2018fyk burde den give indsigt i fysikken i delvise tidevandsafbrydelseshændelser og de ekstreme miljøer omkring supermassive sorte huller. "Denne undersøgelse skitserer metodologi til potentielt at forudsige de næste snacktider for supermassive sorte huller i eksterne galakser," siger Pasham.

Tidsstempel:

Mere fra Nanoværk