Nye observationer af sort hul, der fortærer en stjerne, afslører hurtig skivedannelse

Når en stjerne passerer for tæt på et supermassivt sort hul, tidevandskræfter river det fra hinanden, producerer en lys udstråling af stråling, når materiale fra stjernen falder ned i det sorte hul. Astronomer studerer lyset fra disse "tidevandsafbrydelseshændelser" (TDE'er) for at finde spor til fodringsadfærden af ​​de supermassive sorte huller, der lurer i galaksernes centre.

Nye TDE-observationer ledet af astronomer ved UC Santa Cruz giver nu klare beviser på, at affald fra stjernen danner en roterende skive, kaldet en accretion disk, omkring det sorte hul. Teoretikere har diskuteret, om en tilvækstskive kan dannes effektivt under en tidevandsafbrydelse, og de nye resultater, accepteret til offentliggørelse i Astrofysisk tidsskrift og tilgængelig online, skal hjælpe med at løse det spørgsmål, sagde førsteforfatter Tiara Hung, en postdoktor ved UC Santa Cruz.

"I klassisk teori, TDE flare er drevet af en accretion disk, producerer røntgenstråler fra det indre område, hvor varm gas spiraler ind i det sorte hul, " sagde Hung. "Men for de fleste TDE'er, vi ser ikke røntgenstråler - de skinner for det meste i de ultraviolette og optiske bølgelængder - så det blev foreslået, i stedet for en disk, vi ser emissioner fra kollisionen af ​​stjerneaffaldsstrømme."

Medforfattere Enrico Ramirez-Ruiz, professor i astronomi og astrofysik ved UCSC, og Jane Dai ved University of Hong Kong udviklede en teoretisk model, udgivet i 2018, det kan forklare, hvorfor røntgenstråler normalt ikke observeres i TDE'er på trods af dannelsen af ​​en accretion disk. De nye observationer giver stærk støtte til denne model.

"Dette er den første solide bekræftelse på, at der dannes tilvækstskiver i disse begivenheder, selv når vi ikke ser røntgenstråler, " sagde Ramirez-Ruiz. "Regionen tæt på det sorte hul er skjult af en optisk tyk vind, så vi kan ikke se røntgenstrålingen, men vi ser optisk lys fra en forlænget elliptisk disk."

Afslørende beviser

De afslørende beviser for en accretion disk kommer fra spektroskopiske observationer. Medforfatter Ryan Foley, assisterende professor i astronomi og astrofysik ved UCSC, og hans team begyndte at overvåge TDE (kaldet AT 2018hyz), efter at det først blev opdaget i november 2018 af All Sky Automated Survey for SuperNovae (ASAS-SN). Foley bemærkede et usædvanligt spektrum, mens han observerede TDE med 3-meter Shane Telescope ved UC's Lick Observatory natten til den 1. januar, 2019.

"Min kæbe faldt, og jeg vidste straks, at dette ville blive interessant, " sagde han. "Det, der skilte sig ud, var brintlinjen - emissionen fra brintgas - som havde en dobbeltspidsprofil, der var ulig nogen anden TDE, vi havde set."

Foley forklarede, at den dobbelte top i spektret stammer fra Doppler-effekten, som ændrer frekvensen af ​​lys udsendt af et objekt i bevægelse. I en tilvækstskive, der spiraler rundt om et sort hul og set i en vinkel, noget af materialet vil bevæge sig mod iagttageren, så lyset det udsender vil blive flyttet til en højere frekvens, og noget af materialet vil bevæge sig væk fra iagttageren, dens lys skiftede til en lavere frekvens.

"Det er den samme effekt, der får lyden af ​​en bil på en racerbane til at skifte fra en høj tonehøjde, når bilen kommer mod dig til en lavere tonehøjde, når den passerer og begynder at bevæge sig væk fra dig, " sagde Foley. "Hvis du sidder på tribunen, bilerne på det ene sving bevæger sig alle mod dig, og bilerne på det andet sving bevæger sig væk fra dig. I en accretion disk, gassen bevæger sig rundt i det sorte hul på samme måde, og det er det, der giver de to toppe i spektret."

Holdet fortsatte med at indsamle data i løbet af de næste par måneder, observere TDE med flere teleskoper, som det udviklede sig over tid. Hung ledede en detaljeret analyse af dataene, hvilket indikerer, at diskdannelsen fandt sted relativt hurtigt, i løbet af få uger efter forstyrrelsen af ​​stjernen. Resultaterne tyder på, at diskdannelse kan være almindelig blandt optisk detekterede TDE'er på trods af sjældenheden af ​​dobbelt-peaked emission, hvilket afhænger af faktorer som diskens hældning i forhold til observatører.

"I think we got lucky with this one, " Ramirez-Ruiz said. "Our simulations show that what we observe is very sensitive to the inclination. There is a preferred orientation to see these double-peak features, and a different orientation to see x-ray emissions."

He noted that Hung's analysis of multi-wavelength follow-up observations, including photometric and spectroscopic data, provides unprecedented insights into these unusual events. "When we have spectra, we can learn a lot about the kinematics of the gas and get a much clearer understanding of the accretion process and what is powering the emissions, " Ramirez-Ruiz said.

In addition to Hung, Foley, Ramirez-Ruiz, and other members of the UCSC team, the coauthors of the paper also include scientists at the Niels Bohr Institute in Copenhagen (where Ramirez-Ruiz holds a Niels Bohr Professorship); University of Hong Kong; University of Melbourne, Australia; Carnegie Institution for Science; og Space Telescope Science Institute.

Observations were obtained at Lick Observatory, W. M. Keck Observatory, the Southern Astrophysical Research (SOAR) telescope, and the Swope Telescope at Las Campanas Observatory in Chile. This work was supported in part by the National Science Foundation, the Gordon and Betty Moore Foundation, the David and Lucile Packard Foundation, and the Heising-Simons Foundation.