Sådan ser det ud, når et sort hul snacker en stjerne

Selvom sorte huller og småbørn ikke ser ud til at have meget til fælles, de er bemærkelsesværdigt ens i ét aspekt:​​Begge er rodede spisende, genererer rigeligt bevis for, at et måltid har fundet sted.

Men mens man måske efterlader afføring af pasta eller stænk af yoghurt, den anden skaber et efterspil af forbløffende proportioner. Når et sort hul sluger en stjerne, det producerer, hvad astronomer kalder en "tidevandsafbrydelseshændelse." Makuleringen af ​​den ulykkelige stjerne er ledsaget af et udbrud af stråling, der kan overstråle det kombinerede lys fra hver stjerne i det sorte huls værtsgalakse i flere måneder, endda år.

I et blad udgivet i The Astrophysical Journal , et hold af astronomer ledet af Sixiang Wen, en postdoktoral forskningsassistent ved University of Arizona Steward Observatory, bruge røntgenstrålerne, der udsendes af en tidevandsafbrydelseshændelse kendt som J2150 til at foretage de første målinger af både det sorte huls masse og spin. Dette sorte hul er af en særlig type - et sort hul med mellemmasse - som længe har undgået observation.

"Det faktum, at vi var i stand til at fange dette sorte hul, mens det slugte en stjerne, giver en bemærkelsesværdig mulighed for at observere, hvad der ellers ville være usynligt, " sagde Ann Zabludoff, UArizona professor i astronomi og medforfatter på papiret. "Ikke kun det, ved at analysere opblussen var vi i stand til bedre at forstå denne undvigende kategori af sorte huller, som meget vel kan stå for størstedelen af ​​sorte huller i galaksernes centre."

Ved at genanalysere røntgendataene, der blev brugt til at observere J2150 flare, og sammenligne det med sofistikerede teoretiske modeller, forfatterne viste, at denne opblussen faktisk stammede fra et møde mellem en uheldig stjerne og et sort hul med mellemmasse. Det pågældende mellemliggende sorte hul er af særlig lav masse - for et sort hul, det vil sige - med en vægt på omkring 10, 000 gange solens masse.

"Røntgenstrålingen fra den indre skive dannet af affaldet af den døde stjerne gjorde det muligt for os at udlede massen og spindet af dette sorte hul og klassificere det som et mellemliggende sort hul, " sagde Wen.

Dusinvis af tidevandsforstyrrelser er blevet set i centrene af store galakser med supermassive sorte huller, og en håndfuld er også blevet observeret i centrene af små galakser, der kan indeholde mellemliggende sorte huller. Imidlertid, tidligere data har aldrig været detaljerede nok til at bevise, at en individuel tidevandsafbrydelse blev drevet af et mellemliggende sort hul.

"Takket være moderne astronomiske observationer, vi ved, at centrene for næsten alle galakser, der ligner eller er større i størrelse end vores Mælkevej, er vært for centrale supermassive sorte huller, " sagde undersøgelsens medforfatter Nicholas Stone, en lektor ved Hebrew University i Jerusalem. "Disse giganter varierer i størrelse fra 1 million til 10 milliarder gange vores sols masse, og de bliver kraftige kilder til elektromagnetisk stråling, når for meget interstellar gas falder i deres nærhed."

Massen af ​​disse sorte huller korrelerer tæt med den samlede masse af deres værtsgalakser; de største galakser er vært for de største supermassive sorte huller.

"Vi ved stadig meget lidt om eksistensen af ​​sorte huller i centrene af galakser, der er mindre end Mælkevejen, " sagde medforfatter Peter Jonker fra Radboud University og SRON Netherlands Institute for Space Research, begge i Holland. "På grund af observationsbegrænsninger, det er udfordrende at opdage centrale sorte huller, der er meget mindre end 1 million solmasser."

På trods af deres formodede overflod, oprindelsen af ​​supermassive sorte huller forbliver ukendt, og mange forskellige teorier forsøger i øjeblikket at forklare dem, ifølge Jonker. Mellemmasse sorte huller kunne være de frø, hvorfra supermassive sorte huller vokser.

"Derfor, hvis vi får bedre styr på, hvor mange bona fide mellemliggende sorte huller der er derude, det kan hjælpe med at afgøre, hvilke teorier om supermassive sorte huls dannelse er korrekte, " han sagde.

Endnu mere spændende, ifølge Zabludoff, er målingen af ​​J2150's spin, som gruppen var i stand til at opnå. Spin-målingen har et fingerpeg om, hvordan sorte huller vokser, og muligvis til partikelfysik.

Dette sorte hul har et hurtigt spin, men ikke det hurtigst mulige spin, Zabludoff forklarede, stiller spørgsmålet om, hvordan det sorte hul ender med et spin i dette område.

"Det er muligt, at det sorte hul er dannet på den måde og ikke har ændret sig meget siden, eller at to sorte huller med mellemmasse for nylig smeltede sammen for at danne dette ene, " sagde hun. "Vi ved, at det spin, vi målte, udelukker scenarier, hvor det sorte hul vokser over lang tid fra konstant at spise gas eller fra mange hurtige gassnacks, der kommer fra tilfældige retninger."

Ud over, spin-målingen giver astrofysikere mulighed for at teste hypoteser om mørkt stofs natur, som menes at udgøre det meste af stoffet i universet. Mørkt stof kan bestå af ukendte elementarpartikler, der endnu ikke er set i laboratorieforsøg. Blandt kandidaterne er hypotetiske partikler kendt som ultralette bosoner, Stone forklarede.

"Hvis disse partikler eksisterer og har masser i et bestemt område, de vil forhindre et sort hul med mellemmasse i at få et hurtigt spin, " sagde han. "Alligevel snurrer J2150's sorte hul hurtigt. Så, vores spin-måling udelukker en bred klasse af ultralette boson-teorier, viser værdien af ​​sorte huller som udenjordiske laboratorier for partikelfysik."

I fremtiden, nye observationer af udbrud af tidevandsafbrydelser kan lade astronomer udfylde hullerne i det sorte huls massefordeling, håber forfatterne.

"Hvis det viser sig, at de fleste dværggalakser indeholder sorte huller med mellemmasse, så vil de dominere hastigheden af ​​stjernernes tidevandsafbrydelse, " sagde Stone. "Ved at tilpasse røntgenstrålingen fra disse flares til teoretiske modeller, vi kan foretage en optælling af den mellemstore sorte huls befolkning i universet, " tilføjede Wen.

At gøre det, imidlertid, flere tidevandsafbrydelseshændelser skal observeres. Det er derfor, astronomer har store forhåbninger til, at nye teleskoper snart kommer online, både på jorden og i rummet, herunder Vera C. Rubin Observatory, også kendt som Legacy Survey of Space and Time, eller LSST, som forventes at opdage tusindvis af tidevandsforstyrrelser om året.