Czarna dziura niszczy gwiazdę

Wizja artystyczna przedstawiająca zjawisko TDE, do którego dochodzi gdy gwiazda przejdzie zbyt blisko supermasywnej czarnej dziury. Źródło: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

Po raz pierwszy w historii, astronomowie bezpośrednio zaobserwowali powstawanie i rozszerzanie się szybko poruszającego się dżetu materii wyrzuconej gdy potężna grawitacja supermasywnej czarnej dziury rozerwała gwiazdę, która za bardzo się do niej zbliżyła.

Naukowcy śledzili za pomocą radioteleskopów i teleskopów obserwującym w podczerwieni zdarzenie, do którego doszło w parze zderzających się ze sobą galaktyk zwanej Arp 299, oddalonej od nas o blisko 150 milionów lat świetlnych. W centrum jednej z tych galaktyk, czarna dziura o masie 20 milionów mas słońca rozerwała gwiazdę o masie dwukrotnie przewyższającej masę słońca, co uruchomiło cały łańcuch zdarzeń, który odkrył przed nami istotne szczegóły tego gwałtownego spotkania.

Jak dotąd zarejestrowano tylko kilka takich zdarzeń, zwanych TDE (ang. tidal disruption events), choć naukowcy od dawna twierdzą, że może do nich dochodzić znacznie częściej. Teoretycy wskazują, że materia pochodząca z rozerwanej gwiazdy tworzy rotujący dysk wokół czarnej dziury, emitujący intensywne promieniowanie w zakresie rentgenowskim i widzialnym, oraz prowadzi do uwolnienia silnych dżetów materii z biegunów dysku, poruszających się z prędkościami zbliżonymi do prędkości światła.

“Nigdy wcześniej nie udało nam się bezpośrednio obserwować formowania się i ewolucji dżetu w wyniku takiego zdarzenia” mówi Miguel Perez-Torres z Instytutu Astrofizyki w Granadzie.

Pierwszy sygnał zarejestrowano 30 stycznia 2005 roku, gdy astronomowie korzystający z teleskopu William Herschela na Wyspach Kanaryjskich odkryli jasny rozbłysk w podczerwieni pochodzący z jądra jednej z dwóch zderzających się ze sobą galaktyk w Arp299. 17 lipca 2005 roku VLBA potwierdziła nowe, wyraźne źródło promieniowania radiowego w tym samym miejscu na niebie.

“Z czasem, nowy obiekt pozostawał jasny w zakresie podczerwonym i radiowym, ale nie w widzialnym czy rentgenowskim” mówi Seppo Mattila z Uniwersytetu w Turku w Finlandii. “Najbardziej prawdopodobne wyjaśnienie mówi, że gęsty gaz i pył międzygwiezdny w pobliżu centrum galaktyki pochłaniał promieniowanie rentgenowskie i widzialne, a następnie reemitował je w podczerwieni”. Wykorzystując teleskop NOT (Nordic Optical Telescope) na Wyspach Kanaryjskich oraz kosmiczny teleskop Spizer badacze śledzili emisję promieniowania podczerwonego z tego obiektu.

Ciągłe obserwacje za pomocą VLBA, europejskiej sieci VLBI oraz innych radioteleskopów, prowadzone przez niemal dekadę, wykazały, że źródło emisji radiowej rozszerza się w jednym kierunku, co zgadza się z teorią mówiącą o dżecie. Zmierzone tempo rozszerzania wskazuje, że materia tworząca dżet porusza się średnio z 0.25 prędkości światła. Na szczęście fale radiowe nie są pochłaniane przez jądro galaktyki i także z niego docierały do Ziemi.

Powyższe obserwacje prowadzone były za pomocą licznych anten radioteleskopowych oddalonych od siebie o tysiące kilometrów, dzięki czemu uzyskano lepszą zdolność rozdzielczą, możliwość dostrzeżenia drobnych szczegółów, co było niezbędne do wykrycia rozszerzania się tak odległego obiektu. Cierpliwy, trwający latami proces zbierania danych nagrodził naukowców dowodami na to, że faktycznie obserwują dżet.

Większość galaktyk posiada supermasywne czarne dziury o masie od milionów do miliardów mas Słońca. Gdy takie supermasywne czarne dziury aktywnie przyciągają materię ze swojego otoczenia, owa materia tworzy rotujący dysk wokół czarnej dziury oraz superszybkie dżety cząstek emitowane z biegunów dysku. To zjawisko często obserwowane w radiogalaktykach i kwazarach.

“Przez większość czasu jednak supermasywne czarne dziury niczego nie pożerają, więc znajdują się w cichej fazie swojej egzystencji” tłumaczy Perez-Torres. “Takie zdarzenia TDE stanowią dla nas unikalną okazję poszerzenia naszej wiedzy o powstawaniu i ewolucji dżetów w pobliżu tych masywnych obiektów” dodaje.

“Z uwagi na pył, który pochłonął promieniowanie w zakresie widzialnym, to konkretne zdarzenie może stanowić tylko szczyt góry lodowej tego co dotąd pozostawało ukrytą przed nami populacją takich zdarzeń”dodaje Mattila. “Poszukując takich zdarzeń za pomocą teleskopów obserwujących w zakresie radiowym i podczerwonym, być może znajdziemy ich znacznie więcej.”

Takie zdarzenia mogły być dużo powszechniejsze w odległym Wszechświecie, a więc badanie ich może pomóc badaczom zrozumieć środowisko, w którym miliardy lat temu tworzyły się nowe galaktyki.

Opisywane tutaj odkrycie, według badaczy, było całkowitym zaskoczeniem. Początkowy rozbłysk w podczerwieni odkryto w ramach projektu poszukiwania supernowych w takich zderzających się galaktykach. W Arp299 obserwowano liczne zjawiska tego typu, a sam obiekt nazwano nawet “fabryką supernowych”. Ten nowy obiekt początkowo uznano także za supernową. Dopiero w 2011 roku, sześć lat po wykryciu, część obiektu emitująca promieniowanie w zakresie radiowym zaczęła wykazywać rozciągłość. Późniejszy monitoring tego obiektu pozwolił na dojrzenie procesu wydłużania tego regionu, dzięki czemu naukowcy mogli zrozumieć, że obserwują dżet, a nie supernową.

Wyniki badań opublikowano wczoraj w periodyku Science.

Źródło: NRAO