Supermassive sorte huller fortærer gas ligesom deres petite modstykker

Den 9. sept. 2018, astronomer opdagede et glimt fra en galakse 860 millioner lysår væk. Kilden var et supermassivt sort hul omkring 50 millioner gange solens masse. Normalt stille, gravitationsgiganten vågnede pludselig for at opsluge en forbipasserende stjerne i et sjældent tilfælde kendt som en tidevandsafbrydelse. Da stjerneaffaldet faldt mod det sorte hul, det frigav en enorm mængde energi i form af lys.

Forskere ved MIT, Det Europæiske Sydobservatorium, og andre steder brugte flere teleskoper til at holde øje med begivenheden, mærket AT2018fyk. Til deres overraskelse, de observerede, at da det supermassive sorte hul fortærede stjernen, det udviste egenskaber, der lignede meget mindre, sorte huller med stjernemasse.

Resultaterne, offentliggjort i dag i Astrofysisk tidsskrift, foreslå, at tilvækst, eller måden sorte huller udvikler sig på, når de forbruger materiale, er uafhængig af deres størrelse.

"Vi har vist, at hvis du har set et sort hul, du har set dem alle, i en vis forstand, " siger undersøgelsesforfatter Dheeraj "DJ" Pasham, en forsker ved MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Når du kaster en kugle gas efter dem, de synes alle at gøre mere eller mindre det samme. De er det samme udyr med hensyn til deres tilvækst."

Pashams medforfattere inkluderer hovedforsker Ronald Remillard og tidligere kandidatstuderende Anirudh Chiti ved MIT, sammen med forskere ved European Southern Observatory, Cambridge University, Leiden Universitet, New York University, University of Maryland, Curtin University, universitetet i Amsterdam, og NASA Goddard Space Flight Center.

En fantastisk opvågning

Når små sorte huller med stjernemasse med en masse omkring 10 gange vores sol udsender et lysudbrud, det er ofte som reaktion på en tilstrømning af materiale fra en ledsagerstjerne. Dette udbrud af stråling sætter gang i en specifik udvikling af området omkring det sorte hul. Fra ro, et sort hul går over i en "blød" fase domineret af en tilvækstskive, når stjernemateriale trækkes ind i det sorte hul. Når mængden af ​​materialetilstrømning falder, det går igen over i en "hård" fase, hvor en hvidglødende corona tager over. Det sorte hul falder til sidst tilbage i en stabil hvile, og hele denne tilvækst cyklus kan vare et par uger til måneder.

Fysikere har observeret denne karakteristiske tilvækstcyklus i flere sorte huller med stjernemasse i flere årtier. Men for supermassive sorte huller, man mente, at denne proces ville tage for lang tid at fange helt, da disse goliater normalt er græssere, lever langsomt af gas i de centrale områder af en galakse.

"Denne proces sker normalt på tusindvis af år i supermassive sorte huller, " siger Pasham. "Mennesker kan ikke vente så længe med at fange noget som dette."

Men hele denne proces accelererer, når et sort hul pludselig oplever, stor tilstrømning af materiale, såsom under en tidevandsforstyrrelse, når en stjerne kommer tæt nok på, at et sort hul kan rive den i stykker.

"I en tidevandsafbrydelse, alt er brat, " siger Pasham. "Du får pludselig en luns gas, der bliver kastet efter dig, og det sorte hul bliver pludselig vækket, og det er ligesom, 'hov, der er så meget mad - lad mig bare spise, spise, spis, indtil det er væk.' Så, den oplever alt på kort tid. Det giver os mulighed for at undersøge alle disse forskellige tilvækststadier, som folk har kendt i sorte huller med stjernemasse."

En supermassiv cyklus

I september 2018, All-Sky Automated Survey for Supernovae (ASSASSN) opfangede signaler om en pludselig opblussen. Forskere fastslog efterfølgende, at opblussen var resultatet af en tidevandsafbrydelse, der involverede et supermassivt sort hul, som de mærkede TDE AT2018fyk. Wevers, Pasham, og deres kolleger hoppede på alarmen og var i stand til at styre flere teleskoper, hver trænet til at kortlægge forskellige bånd af ultraviolet- og røntgenspektret, mod systemet.

Holdet indsamlede data over to år, ved hjælp af røntgenrumteleskoper XMM-Newton og Chandra X-Ray Observatory, samt pænere, røntgenovervågningsinstrumentet ombord på den internationale rumstation, og Swift Observatory, sammen med radioteleskoper i Australien.

"Vi fangede det sorte hul i den bløde tilstand med en tilvækstskive, der dannede sig, og det meste af emissionen i ultraviolet, med meget få i røntgen, " siger Pasham. "Så falder disken sammen, coronaen bliver stærkere, og nu er det meget lyst i røntgenstråler. Til sidst er der ikke meget gas at fodre på, og den samlede lysstyrke falder og går tilbage til uopdagelige niveauer."

Forskerne vurderer, at det sorte hul i tidevand forstyrrede en stjerne på størrelse med vores sol. I processen, det genererede en enorm accretion disk, omkring 12 milliarder kilometer bred, og udsendte gas, som de anslog til at være omkring 40, 000 Kelvin, eller mere end 70, 000 grader Fahrenheit. Da disken blev svagere og mindre lysstærk, en corona af kompakt, højenergi røntgenstråler tog over som den dominerende fase omkring det sorte hul, før de til sidst forsvandt.

"Folk har vidst, at denne cyklus sker i sorte huller med stjerner, som kun er omkring 10 solmasser. Nu ser vi dette i noget 5 millioner gange større, " siger Pasham.

"Det mest spændende perspektiv for fremtiden er, at sådanne tidevandsafbrydelseshændelser giver et vindue til dannelsen af ​​komplekse strukturer meget tæt på det supermassive sorte hul, såsom tilvækstskiven og koronaen, " siger hovedforfatter Thomas Wevers, en fellow ved European Southern Observatory. "At studere, hvordan disse strukturer dannes og interagerer i det ekstreme miljø efter ødelæggelsen af ​​en stjerne, vi kan forhåbentlig begynde bedre at forstå de grundlæggende fysiske love, der styrer deres eksistens."

Ud over at vise, at sorte huller oplever tilvækst på samme måde, uanset deres størrelse, resultaterne repræsenterer kun anden gang, at forskere har fanget dannelsen af ​​en korona fra start til slut.

"En corona er en meget mystisk enhed, og i tilfælde af supermassive sorte huller, folk har studeret etablerede coronas, men ved ikke hvornår eller hvordan de er dannet, " siger Pasham. "Vi har demonstreret, at du kan bruge tidevandsafbrydelseshændelser til at fange coronadannelse. Jeg er spændt på at bruge disse begivenheder i fremtiden til at finde ud af, hvad der præcist er corona."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.