Naukowcy odkrywają echo radiowe pożerania gwiazdy przez czarną dziurę

Credit: ESO/L. Calcada

11 listopada 2014 roku globalna sieć teleskpów zarejestrowała sygnały z odległości 300 milionów lat świetlnych powstałe w rozbłysku po rozerwaniu pływowym – eksplozji promieniowania elektromagnetycznego wskutek rozerwania przez czarną dziurę przelatującej w jej pobliżu gwiazdy. Od momentu odkrycia astronomowie wykorzystywali swoje teleskopu do badania tego bardzo rzadkiego zjawiska, próbując dowiedzieć się więcej o tym jak czarne dziury pożerają materię i regulują wzrost galaktyk.

Naukowcy z MIT oraz Johns Hopkins University odkryli teraz sygnały radiowe z tego zdarzenia, które bardzo dobrze zgadzają się z sygnałami rentgenowskimi wyemitowanymi w tym samym rozbłysku 13 dni wcześniej. Naukowcy uważają, że to swego rodzaju “echo” radiowe, które w ponad 90% przypomina sygnały rentgenowskie z tego samego zdarzenia, nie jest tylko zbiegiem okoliczności. Zamiast tego wydają się być dowodami na olbrzymi dżet wysoko energetycznych cząstek emitowany z otoczenia czarnej dziury podczas gdy materia z rozerwanej gwiazdy opadała na czarną dziurę.

Dheeraj Pasham, badacz w Instytucie Kavli MIT przyznaje, że bardzo podobny wzór wskazuje, że moc dżetu emitowanego z czarnej dziury jest w jakiś sposób kontrolowana przez tempo, w jakim czarna dziura pożera rozerwaną gwiazdę.

“To mówi nam, że tempo pożerania gwiazdy przez czarną dziurę kontroluje moc emitowanego przez nią dżetu” mówi Pasham. “Dobrze odżywiona czarna dziura emituje silne dżety, podczas gdy niedożywiona czarna dziura emituje słabe dżety lub w ogóle ich nie emituje. To pierwszy przypadek kiedy udało nam się zaobserwować dżet kontrolowany przez karmiącą się supermasywną czarną dziurę”.

Pasham dodaje, że naukowcy podejrzewali, że dżety czarnych dziur zasilane są tempem ich akrecji, ale jak dotąd nigdy nie udało im się zaobserwować tego związku w obrębie pojedynczego zdarzenia.

“Można to zaobserwować, ale tylko w bardzo szczególnych przypadkach, kiedy obserwujemy czarną dziurę, która nic nie robi, aż tu nagle pojawia się gwiazda, która dostarcza jej olbrzymich ilości paliwa” mówi Pasham. “To idealna okazja, aby zbadać takie zjawiska od samego początku”.

Pasham i jego współpracownik Sjoert van Velzen z JHU zawarli wyniki swoich badań w artykule naukowym opublikowanym w tym tygodniu w periodyku Astrophysical Journal.

Bazując na teoretycznych modelach ewolucji czarnych dziur, połączonych z obserwacjami odległych galaktyk, naukowcy posiedli ogólną wiedzę o tym co się dzieje podczas rozerwania gwiazdy: gdy gwiazda za bardzo zbliży się do czarnej dziury, przyciąganie grawitacyjne czarnej dziury generuje siły pływowe w gwieździe podobne do tych jakie generuje księżyc względem mórz na Ziemi.

Niemniej jednak, oddziaływanie grawitacyjne czarnej dziury jest tak silne, że potrafi rozerwać gwiazdę, rozciągając i spłaszczając ją niczym naleśnik, aż w końcu rozrywając ją na strzępy. W efekcie deszcz fragmentów rozerwanej gwiazdy opadając na czarną dziurę formuje dysk akrecyjny – wir kosmicznej materii, która stopniowo opada na czarną dziurę.

Cały ten proces generuje kolosalne rozbłyski energii w całym zakresie promieniowania elektromagnetycznego. Naukowcy obserwują takie rozbłyski w zakresie optycznym, ultrafioletowym i rentgenowskim, a czasami także w radiowym. Za źródło promieniowania rentgenowskiego uważa się ultra-gorącą materię w najbardziej wewnętrznych regionach dysku akrecyjnego. Promieniowanie w zakresie optycznym i ultrafioletowym pochodzi z odleglejszych obszarów dysku, które także z czasem zostaną wciągnięte przez czarną dziurę.

Jednak co jest źródłem promieniowania radiowego w procesie rozrywania pływowego wciąż jest tematem debat.

“Wiemy, że fale radiowe pochodzą z bardzo energetycznych elektronów, poruszających się w polu magnetycznym – to dobrze poznany proces”mówi Pasham. “Pytanie tylko skąd się biorą te bardzo energetyczne elektrony?”

Część naukowców przypuszcza, że tuż po eksplozji gwiazdy fala uderzeniowa rozchodzi się na zewnątrz wzbudzając cząstki plazmy w otaczającym ją ośrodku międzygwiezdnym, tym samym emitując fale radiowe. Jednak w takim przypadku, wzór emitowanych fal radiowych wyglądałby zupełnie inaczej od wzoru rentgenowskiego powstałego przez opadające na czarną dziurę fragmenty gwiazdy.

“To co udało nam się odkryć zasadniczo podważa tę teorię,” mówi Pasham.

Pasham i van Venzel analizowali dane dotyczące rozbłysku pochodzącego z pływowego rozerwania gwiazdy odkrytego w 2014 roku za pomocą globalnej sieci teleskopów ASASSN (All-sky Automated Survey for Supernovae). Wkrótce po wstępnym odkryciu, liczne teleskopy obserwujące niebo skierowały się w stronę zjawiska, które astronomowie oznaczyli jako ASASSN-14li. Pasham i van Velzen przeanalizowali dane radiowe z trzech teleskopów w okresie obejmującym 180 dni wokół momentu odkrycia.

Przeglądając zebrane dane radiowe badacze zauważyli zaskakującą zgodność do kształtu emisji obserwowanego w danych rentgenowskich z tego samego zdarzenia. Gdy nałożyli jedne dane na drugie i przesunęli je w osi czasu, aby porównać ich podobieństwo odkryli, że dane są w 90% identyczne po przesunięciu o 13 dni. To znaczy, te same fluktuacje co w zakresie rentgenowskim pojawiły się 13 dni później w zakresie radiowym.

“Jedyne możliwe wytłumaczenie jest takie, że mamy do czynienia z jakimś procesem fizycznym, który jakoś łączy obszar emitujący promieniowanie rentgenowskie z obszarem emitującym promieniowanie radiowe” mówi Pasham.

Z tych samych danych Pasham i van Velzen obliczyli rozmiary obszaru emitującego promieniowanie rentgenowskie na 25-krotnie większy od rozmiarów Słońca, podczas gdy obszar emitujący radiowo miał promień 400 000 razy większy od promienia Słońca.

“To nie jest przypadek. Wyraźnie istnieje jakiś związek między tym małym obszarem rentgenowskim a rozległym obszarem emitującym promieniowanie radiowe”.

Zespół przypuszcza, że fale radiowe zostały wyemitowane przez dżet wysokoenergetycznych cząstek, które zaczęły uciekać z otoczenia czarnej dziury wkrótce po tym jak zaczęła ona pożerać materię z rozerwanej gwiazdy. Ponieważ obszar dżetu gdzie po raz pierwszy uformowały się fale radiowe był niewiarygodnie gęsty (ciasno upakowany elektronami), większość fal radiowych została natychmiast pochłonięta przez inne elektrony.

Dopiero gdy elektrony zaczęły się przemieszczać wraz z dżetem, fale radiowy mogły uciec na zewnątrz. To właśnie ten sygnał naukowcy w końcu odkryli.  Tym samym moc dżetu musi być kontrolowana przez tempo akrecji, albo prędkość z jaką czarna dziura pożera fragmenty gwiazdy emitujące promieniowanie rentgenowskie.

“Jeżeli tempo w jakim czarna dziura pożera materię jest proporcjonalne do tempa, z jakim emituje energię, i jeżeli tak jest w przypadku każdej czarnej dziury, to mamy prosty przepis do wykorzystania w symulacjach ewolucji galaktyk” podsumowuje Pasham.

Źródło: MIT