NASA-missioner hjælper med at undersøge en aktiv galakse fra Old Faithful

I løbet af et typisk år, over en million mennesker besøger Yellowstone National Park, hvor Old Faithful-gejseren jævnligt blæser en stråle af kogende vand højt i luften. Nu, et internationalt hold af astronomer har opdaget en kosmisk ækvivalent, en fjern galakse, der bryder ud omtrent hver 114. dag.

Brug af data fra faciliteter, herunder NASAs Neil Gehrels Swift Observatory og Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), forskerne har studeret 20 gentagne udbrud af en begivenhed kaldet ASASSN-14ko. Disse forskellige teleskoper og instrumenter er følsomme over for forskellige bølgelængder af lys. Ved at bruge dem i fællesskab, videnskabsmænd fik mere detaljerede billeder af udbruddene.

"Dette er de mest forudsigelige og hyppige tilbagevendende flares med flere bølgelængder, vi har set fra en galakses kerne, og de giver os en unik mulighed for at studere denne ekstragalaktiske Old Faithful i detaljer, " sagde Anna Payne, en NASA Graduate Fellow ved University of Hawai'i i Mānoa. "Vi tror, ​​at et supermassivt sort hul i galaksens centrum skaber udbruddene, da det delvist forbruger en kredsende kæmpestjerne."

Payne præsenterede resultaterne tirsdag, 12. januar, ved det virtuelle 237. møde i American Astronomical Society. Et papir om kilden og disse observationer, ledet af Payne, er under videnskabelig gennemgang.

Astronomer klassificerer galakser med usædvanligt lyse og variable centre som aktive galakser. Disse objekter kan producere meget mere energi end det samlede bidrag fra alle deres stjerner, inklusive højere end forventet niveauer af synlige, ultraviolet, og røntgenlys. Astrofysikere mener, at den ekstra emission kommer fra nær galaksens centrale supermassive sorte hul, hvor en hvirvlende skive af gas og støv samler sig og opvarmes på grund af gravitations- og friktionskræfter. Det sorte hul optager langsomt materialet, hvilket skaber tilfældige udsving i diskens udsendte lys.

Men astronomer er interesserede i at finde aktive galakser med udbrud, der sker med jævne mellemrum, som kan hjælpe dem med at identificere og studere nye fænomener og begivenheder.

"ASSASSN-14ko er i øjeblikket vores bedste eksempel på periodisk variabilitet i en aktiv galakse, på trods af årtiers andre påstande, fordi tidspunktet for dets udbrud er meget konsekvent over de seks års data, Anna og hendes team analyserede, " sagde Jeremy Schnittman, en astrofysiker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, der studerer sorte huller, men ikke var involveret i forskningen. "Dette resultat er en ægte tour de force af observationsastronomi med flere bølgelængder."

ASASSN-14ko blev først opdaget den 14. november, 2014, af All-Sky Automated Survey for Supernovae (ASAS-SN), et globalt netværk af 20 robotteleskoper med hovedkvarter ved Ohio State University (OSU) i Columbus. Det fandt sted i ESO 253-3, en aktiv galakse over 570 millioner lysår væk i det sydlige stjernebillede Pictor. På det tidspunkt, astronomer troede, at udbruddet højst sandsynligt var en supernova, en engangsbegivenhed, der ødelægger en stjerne.

Seks år senere, Payne undersøgte ASAS-SN-data om kendte aktive galakser som en del af sit specialearbejde. Ser man på ESO 253-3 lyskurven, eller grafen over dens lysstyrke over tid, hun lagde straks mærke til en række jævnt fordelte opflammer – i alt 17, alle adskilt af omkring 114 dage. Hver flare når sin højeste lysstyrke på omkring fem dage, dæmpes derefter støt.

Payne og hendes kolleger forudsagde, at galaksen ville blusse op igen den 17. 2020, så de koordinerede fælles observationer med jord- og rumbaserede faciliteter, inklusive multibølgelængdemålinger med Swift. ASASSN-14ko brød lige efter tidsplanen. Holdet har siden forudsagt og observeret efterfølgende udbrud den 7. september og 20. december.

Forskerne brugte også TESS-data til et detaljeret kig på en tidligere flare. TESS observerer skår af himlen kaldet sektorer i omkring en måned ad gangen. I løbet af missionens første to år, kameraerne indsamlede et fuldt sektorbillede hvert 30. minut. Disse øjebliksbilleder gjorde det muligt for holdet at skabe en præcis tidslinje for en opblussen, der begyndte den 7. november, 2018, spore dens fremkomst, stige til maksimal lysstyrke, og falde meget detaljeret.

"TESS gav et meget grundigt billede af den særlige opblussen, men på grund af den måde missionen afbilder himlen på, den kan ikke observere dem alle, " sagde medforfatter Patrick Vallely, et ASAS-SN teammedlem og National Science Foundation kandidatforsker ved OSU. "ASAS-SN indsamler færre detaljer om individuelle udbrud, men giver en længere baseline, hvilket var afgørende i denne sag. De to undersøgelser supplerer hinanden."

Ved hjælp af målinger fra ASAS-SN, TESS, Swift og andre observatorier, herunder NASAs NuSTAR og den europæiske rumfartsorganisations XMM-Newton, Payne og hendes team kom med tre mulige forklaringer på de gentagne opblussen.

One scenario involved interactions between the disks of two orbiting supermassive black holes at the galaxy's center. Recent measurements, also under scientific review, suggest the galaxy does indeed host two such objects, but they don't orbit closely enough to account for the frequency of the flares.

The second scenario the team considered was a star passing on an inclined orbit through a black hole's disk. I det tilfælde, scientists would expect to see asymmetrically shaped flares caused when the star disturbs the disk twice, on either side of the black hole. But the flares from this galaxy all have the same shape.

The third scenario, and the one the team thinks most likely, is a partial tidal disruption event.

A tidal disruption event occurs when an unlucky star strays too close to a black hole. Gravitational forces create intense tides that break the star apart into a stream of gas. The trailing part of the stream escapes the system, while the leading part swings back around the black hole. Astronomers see bright flares from these events when the shed gas strikes the black hole's accretion disk.

I dette tilfælde, the astronomers suggest that one of the galaxy's supermassive black holes, one with about 78 million times the Sun's mass, partially disrupts an orbiting giant star. The star's orbit isn't circular, and each time it passes closest to the black hole, it bulges outward, shedding mass but not completely breaking apart. Every encounter strips away an amount of gas equal to about three times the mass of Jupiter.

Astronomers don't know how long the flares will persist. The star can't lose mass forever, and while scientists can estimate the amount of mass it loses during each orbit, they don't know how much it had before the disruptions began.

Payne and her team plan to continue observing the event's predicted outbursts, including upcoming dates in April and August 2021. They'll also be able to examine another measurement from TESS, which captured the Dec. 20 flare with its updated 10-minute snapshot rate.

"TESS was primarily designed to find worlds beyond our solar system, " said Padi Boyd, the TESS project scientist at Goddard. "But the mission is also teaching us more about stars in our own galaxy, including how they pulse and eclipse each other. I fjerne galakser, we've seen stars end their lives in supernova explosions. TESS has even previously observed a complete tidal disruption event. We're always looking forward to the next exciting and surprising discoveries the mission will make."