Forskere opdager radioekkoer af et sort hul, der lever af en stjerne

Den 11. nov. 2014, et globalt netværk af teleskoper opfangede signaler fra 300 millioner lysår væk, som blev skabt af en tidevandsafbrydelse - en eksplosion af elektromagnetisk energi, der opstår, når et sort hul river en forbipasserende stjerne fra hinanden. Siden denne opdagelse, astronomer har trænet andre teleskoper i denne meget sjældne begivenhed for at lære mere om, hvordan sorte huller fortærer stof og regulerer væksten af ​​galakser.

Forskere fra MIT og Johns Hopkins University har nu opdaget radiosignaler fra begivenheden, der matcher meget tæt med røntgenstråling produceret fra den samme flare 13 dage tidligere. De tror på disse radio-"ekkoer, "som svarer mere end 90 procent til begivenhedens røntgenstråling, er mere end en forbigående tilfældighed. I stedet, de ser ud til at være bevis på en gigantisk stråle af meget energiske partikler, der strømmer ud fra det sorte hul, mens stjernemateriale falder ind.

Dheeraj Pasham, en postdoc i MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, siger, at de meget lignende mønstre tyder på, at styrken af ​​den jet, der skyder ud fra det sorte hul, på en eller anden måde styres af den hastighed, hvormed det sorte hul lever af den udslettede stjerne.

"Dette fortæller os, at det sorte huls fødehastighed styrer styrken af ​​den jet, den producerer, " siger Pasham. "Et godt fodret sort hul producerer en stærk stråle, mens et underernæret sort hul producerer en svag stråle eller slet ingen stråle. Det er første gang, vi har set et jetfly, der er styret af et nærende supermassivt sort hul."

Pasham siger, at videnskabsmænd har mistænkt, at sorte huls jetfly er drevet af deres tilvæksthastighed, men de har aldrig været i stand til at observere dette forhold fra en enkelt begivenhed.

"Du kan kun gøre dette med disse særlige begivenheder, hvor det sorte hul bare sidder der og laver ingenting, og så kommer der pludselig en stjerne, giver den en masse brændstof til at drive sig selv, " siger Pasham. "Det er den perfekte mulighed for at studere sådanne ting fra bunden, i det væsentlige."

Pasham og hans samarbejdspartner, Sjoert van Velzen fra Johns Hopkins University, rapportere deres resultater i et papir offentliggjort i denne uge i Astrofysisk tidsskrift .

Til debat

Baseret på teoretiske modeller for sorte huls evolution, kombineret med observationer af fjerne galakser, videnskabsmænd har en generel forståelse for, hvad der sker under en tidevandsafbrydelse:Når en stjerne passerer tæt på et sort hul, det sorte huls tyngdekraft genererer tidevandskræfter på stjernen, svarende til den måde, hvorpå månen opildner tidevandet på Jorden.

Imidlertid, et sort huls gravitationskræfter er så enorme, at de kan forstyrre stjernen, strække og flade den ud som en pandekage og til sidst rive stjernen i stykker. I kølvandet en byge af stjerneaffald regner ned og bliver fanget i en tilvækstskive - en hvirvel af kosmisk materiale, der til sidst tragter ind i og føder det sorte hul.

Hele denne proces genererer kolossale energiudbrud over det elektromagnetiske spektrum. Forskere har observeret disse udbrud i det optiske, ultraviolet, og røntgenbånd, og også lejlighedsvis i radioenden af ​​spektret. Kilden til røntgenstrålingen menes at være ultravarmt materiale i de inderste områder af accretion disken, som lige er ved at falde ned i det sorte hul. Optiske og ultraviolette emissioner stammer sandsynligvis fra materiale længere ude i disken, som til sidst vil blive trukket ind i det sorte hul.

Imidlertid, hvad der giver anledning til radioemissioner under en tidevandsafbrydelse, har været til debat.

"Vi ved, at radiobølgerne kommer fra virkelig energiske elektroner, der bevæger sig i et magnetfelt - det er en veletableret proces, " siger Pasham. "Debatten har været, hvor kommer disse virkelig energiske elektroner fra?"

Nogle videnskabsmænd foreslår, at i øjeblikke efter stjerneeksplosionen, en chokbølge forplanter sig udad og aktiverer plasmapartiklerne i det omgivende medium, i en proces, der igen udsender radiobølger. I et sådant scenarie, mønsteret af udsendte radiobølger ville se radikalt anderledes ud end mønsteret af røntgenstråler produceret fra indfaldende stjerneaffald.

"Det, vi fandt, udfordrer grundlæggende dette paradigme, " siger Pasham.

Et skiftende mønster

Pasham og van Velzen kiggede gennem data registreret fra en tidevandsafbrydelse, der blev opdaget i 2014 af det globale teleskopnetværk ASASSN (All-sky Automated Survey for Supernovae). Kort efter den første opdagelse, flere elektromagnetiske teleskoper fokuseret på begivenheden, som astronomer opfandt ASASSN-14li. Pasham og van Velzen gennemgik radiodata fra tre teleskoper af begivenheden over 180 dage.

Forskerne kiggede de kompilerede radiodata igennem og opdagede en klar lighed med mønstre, de tidligere havde observeret i røntgendata fra samme begivenhed. Når de passer radiodataene over røntgendataene, og flyttede de to rundt for at sammenligne deres ligheder, de fandt ud af, at datasættene var mest ens, med 90 procent lighed, ved skift med 13 dage. Det er, de samme udsving i røntgenspektret dukkede op 13 dage senere i radiobåndet.

"The only way that coupling can happen is if there is a physical process that is somehow connecting the X-ray-producing accretion flow with the radio-producing region, " siger Pasham.

From this same data, Pasham and van Velzen calculated the size of the X-ray-emitting region to be about 25 times the size of the sun, while the radio-emitting region was about 400, 000 times the solar radius.

"It's not a coincidence that this is happening, " Pasham says. "Clearly there's a causal connection between this small region producing X-rays, and this big region producing radio waves."

The team proposes that the radio waves were produced by a jet of high-energy particles that began to stream out from the black hole shortly after the black hole began absorbing material from the exploded star. Because the region of the jet where these radio waves first formed was incredibly dense (tightly packed with electrons), a majority of the radio waves were immediately absorbed by other electrons.

It was only when electrons traveled downstream of the jet that the radio waves could escape—producing the signal that the researchers eventually detected. Dermed, de siger, the strength of the jet must be controlled by the accretion rate, or the speed at which the black hole is consuming X-ray-emitting stellar debris.

Ultimativt, the results may help scientists better characterize the physics of jet behavior—an essential ingredient in modeling the evolution of galaxies. It's thought that galaxies grow by producing new stars, a process that requires very cold temperatures. When a black hole emits a jet of particles, it essentially heats up the surrounding galaxy, putting a temporary stop on stellar production. Pasham says the team's new insights into jet production and black hole accretion may help to simplify models of galaxy evolution.

"If the rate at which the black hole is feeding is proportional to the rate at which it's pumping out energy, and if that really works for every black hole, it's a simple prescription you can use in simulations of galaxy evolution, " Pasham says. "So this is hinting toward some bigger picture."

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.