Impuls promieniowania rentgenowskiego z okolic horyzontu zdarzeń czarnej dziury

Wizja artystyczna przedstawiająca gorący gaz krążący wokół szybko rotującej czarnej dziury. Wydłużona jasna plama przedstawia rentgenowsko jasny obszar w dysku, który umożliwia oszacowanie prędkości rotacji czarnej dziury. Źródło: NASA/CXC/M. Weiss

22 listopada 2014 roku astronomowie zauważyli rzadkie zdarzenie na nocnym niebie: supermasywna czarna dziura w centrum galaktyki prawie 300 milionów lat świetlnych od Ziemi rozrywała przelatującą w jej pobliżu gwiazdę. Zdarzenie zwane rozbłyskiem spowodowanym rozerwaniem pływowym, którego źródłem jest masywne przyciąganie pływowe czarnej dziury, które rozrywa gwiazdę na strzępy, prowadzi do rozbłysku promieniowania rentgenowskiego w pobliżu centrum galaktyki. Od tego czasu liczne obserwatoria przyglądały się temu zdarzeniu z nadzieją na odkrycie nowych informacji o procesach pożerania materii przez czarne dziury.

Teraz badacze z MIT oraz innych ośrodków przeanalizowali dane z obserwacji tego zdarzenia prowadzonych za pomocą różnych teleskopów i odkryli osobliwie intensywne, stabilne i okresowe pulsowanie lub sygnał promieniowania rentgenowskiego we wszystkich zestawach danych. Sygnał zdaje się pochodzić z obszaru znajdującego się bardzo blisko horyzontu zdarzeń czarnej dziury, czyli punktu, za którym wszelka materia nieuchronnie znika w czarnej dziurze. Sygnał zdaje się okresowo jaśnieć i gasnąć co 131 sekund na przestrzeni ponad 450 dni.

Badacze uważają, że cokolwiek emituje ten okresowy sygnał musi okrążać czarną dziurę po orbicie tuż na zewnątrz horyzontu zdarzeń, w pobliżu ISCO – najbardziej wewnętrznej stabilnej orbity kołowej (ang. Innermost Stable Circular Orbit).

Zważając na stabilną bliskość sygnału do czarnej dziury i na masę czarnej dziury, którą wcześniej badacze szacowali na około milion mas słońca, badacze obliczyli, że czarna dziura rotuje z prędkością około 50 procent prędkości światła.

Wyniki opublikowane dzisiaj w periodyku Science, stanowią pierwszy przykład wykorzystania rozbłysku spowodowanego rozerwaniem pływowym do oszacowania tempa rotacji czarnej dziury.

Główny autor opracowania Dheeraj Pasham, badacz w Instytucie Kavli w MIT mówi, że większość supermasywnych czarnych dziur jest uśpiona i zazwyczaj nie emituje za dużo promieniowania w zakresie rentgenowskim. Tylko od czasu do czasu uwalniają one rozbłyski promieniowania, na przykład wtedy gdy przypadkowe gwiazdy za bardzo się do nich zbliżą pieczętując swój los. Dzięki wynikom uzyskanym przez jego zespół , takie rozbłyski spowodowane przez rozerwanie pływowe mogą być wykorzystywane do oszacowania spinu supermasywnych czarnych dziur – cechy, która jak dotąd była niezwykle trudna do ustalenia.

“Zdarzenia, w których czarne dziury rozrywają gwiazdy, które za bardzo się do nich zbliżyły, mogą umożliwić nam stworzenie mapy spinów kilku supermasywnych czarnych dziur, które są uśpione i przez większość czasu skrywają się w centrach swoich galaktyk” mówi Pasham. “To z kolei może nam pomóc zrozumieć ewolucję galaktyk w czasie”.

Teoretyczne modele rozbłysków spowodowanych rozerwaniem pływowym wskazują, że gdy czarna dziura rozrywa gwiazdę, część materii wcześniej tworzących gwiazdę może pozostać na zewnątrz horyzontu zdarzeń, krążąc, przynajmniej tymczasowo, po stabilnej orbicie takiej jak ISCO emitując okresowe rozbłyski promieniowania rentgenowskiego do czasu opadnięcia na czarną dziurę. Okresowość błysków rentgenowskich zawiera zatem kluczowe informacje o rozmiarach ISCO, która z kolei określa tempo rotacji czarnej dziury.

Pasham ze swoimi współpracownikami doszedł do wniosku, że jeżeli zobaczą takie regularne błyski bardzo blisko czarnej dziury, która niedawno rozerwała gwiazdę, to te sygnały mogą pomóc im określić jak szybko rotuje sama czarna dziura.

Badacze skupili się na ASASSN-14li, rozerwaniu pływowym zidentyfikowanym w listopadzie 2014 roku za pomocą naziemnego All-Sky Automated Survey for SuperNovae (ASASSN).

“To niesamowity system, ponieważ uważamy go za idealny przykład rozbłysków spowodowanych rozerwaniem pływowym. To konkretne zdarzenie zdaje się pasować do wielu przewidywań teoretycznych”.

Badacze przyjrzeli się archiwalnym zestawom danych z trzech obserwatoriów, które wykonywały pomiary promieniowania rentgenowskiego w tym zdarzeniu od jego odkrycia: obserwatorium kosmicznego XMM-Netwon, obserwatorium kosmicznego Chandra oraz Swift. Pasham wcześniej opracował kod komputerowy do wykrywania okresowych zdarzeń w danych astrofizycznych, aczkolwiek nie był on przeznaczony do stosowania w przypadku rozerwań pływowych. Mimo to postanowił zastosować swój kod na trzech zestawach danych dotyczących ASASSN-14li, aby sprawdzić czy jest on w stanie znaleźć jakieś wspólne zdarzenia okresowe.

Kod zwrócił zaskakująco silny, stabilny i okresowy rozbłysk promieniowania rentgenowskiego, który zdawał się pochodzić z bezpośredniego otoczenia czarnej dziury. Sygnał powtarzał się co 131 sekund przez 450 dni i był wyjątkowo intensywny – ponad 40 procent powyżej średniej jasności czarnej dziury w zakresie rentgenowskim.

“Początkowo wątpiłem w te wyniki, bowiem sygnał był bardzo silny. Ale zauważyliśmy go w danych zebranych przez trzy różne teleskopy, zatem musiał być prawdziwy”.

W oparciu o właściwości sygnału oraz masę i rozmiary czarnej dziury, badacze oszacowali, że czarna dziura rotuje z prędkością co najmniej 50 procent prędkości światła.

“Nie jest to jakaś wyjątkowo wysoka prędkość – znamy inne czarne dziury, które rotują z prędkością zbliżoną do 99 procent prędkości światła. Ale to pierwszy raz kiedy byliśmy w stanie wykorzystać rozbłysk spowodowany rozerwaniem pływowym do nałożenia ograniczeń na spin supermasywnej czarnej dziury”.

Po tym jak Pasham odkrył okresowo pojawiający się sygnał, teoretycy w jego zespole mieli za zadanie znaleźć wyjaśnienie źródła tego sygnału. Badacze stworzyli liczne scenariusze, ale najbardziej prawdopodobnym wytłumaczeniem tak silnego, regularnego rozbłysku rentgenowskiego jest nie tyle rozerwanie przez czarną dziurę przelatującej w pobliżu gwiazdy, ale także mniejszego typu gwiazdy – białego karła – krążącego blisko czarnej dziury.

Taki biały karzeł mógł krążyć wokół czarnej dziury po ISCO – najbardziej wewnętrznej stabilnej orbicie kołowej – przez jakiś czas. Sam biały karzeł nie byłby w stanie emitować jakiegokolwiek wykrywalnego promieniowania. Praktycznie rzecz biorąc, biały karzeł pozostałby niewidoczny dla teleskopów krążąc wokół stosunkowo nieaktywnej rotującej czarnej dziury.

Gdzieś w okolicach 22 listopada 2014 roku druga gwiazda przeleciała wystarczająco blisko układu, aby czarna dziura rozerwała ją pływowo emitując ogromne ilości promieniowania rentgenowskiego, na gorące strzępy materii gwiezdnej. Gdy czarna dziura zaczęła wciągać tę materię, część tych szczątków wpadła za horyzont zdarzeń, a część pozostała na zewnątrz na najbardziej wewnętrznej stabilnej orbicie – tej samej orbicie, po której poruszał się biały karzeł. Gdy ów biały karzeł zetknął się z tą gorącą materią gwiezdną, zaczął ją za sobą ciągnąć jako taki jasny płaszcz oświetlający go intensywnym promieniowaniem rentgenowskim za każdym okrążeniem czarnej dziury co 131 sekund.

Naukowcy przyznają, że taki scenariusz jest niewiarygodnie rzadki i może trwać przez maksymalnie kilkaset lat. Szanse na odkrycie takiego scenariusza są zatem przytłaczająco małe.

“Problem z tym scenariuszem jest taki, że jeżeli mamy czarną dziurę o masie miliona słońc, wokół której krąży biały karzeł, to w pewnym momencie w ciągu kilkuset lat, biały karzeł musi opaść na tę czarną dziurę” mówi Pasham. “Musielibyśmy mieć niewiarygodne szczęście, aby udało nam się zaobserwować taki układ. Ale przynajmniej pod względem właściwości tego układu, ten scenariusz po prostu działa”.

Źródło: MIT

Artykuł naukowy: http://dx.doi.org/10.1126/science.aar7480