Den ultimative skæbne for en stjerne knust af et sort hul

I 2019 observerede astronomer det nærmeste eksempel til dato på en stjerne, der blev makuleret eller "spaghettificeret", efter at have nærmet sig for tæt på et massivt sort hul.

Den tidevandsafbrydelse af en sollignende stjerne af et sort hul, der var 1 million gange mere massivt end det selv, fandt sted 215 millioner lysår fra Jorden. Heldigvis var dette den første begivenhed, der var lys nok til, at astronomer fra University of California, Berkeley, kunne studere det optiske lys fra stjernedøden, specifikt lysets polarisering, for at lære mere om, hvad der skete, efter at stjernen blev revet fra hinanden.

Deres observationer den 8. oktober 2019 tyder på, at meget af stjernens materiale blev blæst væk med høj hastighed – op til 10.000 kilometer i sekundet – og dannede en sfærisk sky af gas, der blokerede det meste af de højenergiemissioner, der blev produceret som sort hul slugte resten af ​​stjernen.

Tidligere har andre observationer af optisk lys fra eksplosionen, kaldet AT2019qiz, afsløret, at meget af stjernens stof blev sendt udad i en kraftig vind. Men de nye data om lysets polarisering, som i det væsentlige var nul ved synlige eller optiske bølgelængder, da begivenheden var på sit lyseste, fortæller astronomer, at skyen sandsynligvis var sfærisk symmetrisk.

"Dette er første gang nogen har udledt formen af ​​gasskyen omkring en tidevandsspaghetificeret stjerne," sagde Alex Filippenko, UC Berkeley professor i astronomi og medlem af forskerholdet.

Resultaterne understøtter et svar på, hvorfor astronomer ikke ser højenergistråling, såsom røntgenstråler, fra mange af de snesevis af tidevandsafbrydelser, der er observeret til dato:Røntgenstrålerne, som er produceret af materiale, der er revet fra stjernen og slæbt ind i en tilvækstskive rundt om det sorte hul, før de falder indad, skjules af synet af gassen, der blæses udad af kraftige vinde fra det sorte hul.

"Denne observation udelukker en klasse af løsninger, der er blevet foreslået teoretisk og giver os en stærkere begrænsning af, hvad der sker med gas omkring et sort hul," sagde UC Berkeley-studerende Kishore Patra, hovedforfatter af undersøgelsen. "Folk har set andre beviser på, at vind kommer ud af disse begivenheder, og jeg tror, ​​at denne polariseringsundersøgelse absolut gør beviset stærkere, i den forstand, at du ikke ville få en sfærisk geometri uden at have en tilstrækkelig mængde vind. Det interessante faktum her er, at en betydelig del af materialet i stjernen, der spiraler indad, ikke til sidst falder ned i det sorte hul – det blæses væk fra det sorte hul."

Polarisering afslører symmetri

Mange teoretikere har antaget, at stjerneaffaldet danner en excentrisk, asymmetrisk skive efter afbrydelse, men en excentrisk skive forventes at vise en relativt høj grad af polarisering, hvilket ville betyde, at måske flere procent af det samlede lys er polariseret. Dette blev ikke observeret for denne tidevandsafbrydelse.

"En af de skøreste ting, et supermassivt sort hul kan gøre, er at rive en stjerne i stykker ved dens enorme tidevandskræfter," sagde teammedlem Wenbin Lu, UC Berkeley assisterende professor i astronomi. "Disse stjernernes tidevandsafbrydelseshændelser er en af ​​meget få måder, hvorpå astronomer kender eksistensen af ​​supermassive sorte huller i galaksernes centre og måler deres egenskaber. Men på grund af de ekstreme beregningsmæssige omkostninger ved numerisk simulering af sådanne begivenheder, forstår astronomerne stadig ikke komplicerede processer efter en tidevandsafbrydelse."

Et andet sæt observationer den 6. november, 29 dage efter oktoberobservationen, afslørede, at lyset var meget let polariseret, omkring 1 %, hvilket tyder på, at skyen var blevet tyndere nok til at afsløre den asymmetriske gasstruktur omkring det sorte hul. Begge observationer kom fra det 3 meter lange Shane-teleskop ved Lick Observatory nær San Jose, Californien, der er udstyret med Kast-spektrografen, et instrument, der kan bestemme polariseringen af ​​lys over det fulde optiske spektrum. Lyset bliver polariseret – dets elektriske felt vibrerer primært i én retning – når det spreder elektroner i gasskyen.

"Selve akkretionsskiven er varm nok til at udsende det meste af sit lys i røntgenstråler, men det lys skal komme gennem denne sky, og der er mange spredninger, absorptioner og genudsendelser af lys, før det kan flygte ud af denne sky." sagde Patra. "Med hver af disse processer mister lyset noget af sin fotonenergi og går helt ned til ultraviolette og optiske energier. Den endelige spredning bestemmer derefter fotonens polarisationstilstand. Så ved at måle polarisation kan vi udlede geometrien af overfladen, hvor den endelige spredning sker."

Patra bemærkede, at dette dødsleje-scenarie kun kan gælde for normale tidevandsafbrydelser - ikke "oddballs", hvor relativistiske stråler af materiale bliver drevet ud af polerne i det sorte hul. Kun flere målinger af lysets polarisering fra disse begivenheder vil besvare det spørgsmål.

"Polarisationsstudier er meget udfordrende, og meget få mennesker er velbevandret nok i teknikken rundt om i verden til at bruge dette," sagde han. "Så dette er ukendt territorium for hændelser med tidevandsafbrydelse."

Patra, Filippenko, Lu og UC Berkeley-forsker Thomas Brink, kandidatstuderende Sergiy Vasylyev og postdoc-stipendiat Yi Yang rapporterede deres observationer i et papir, der er blevet accepteret til offentliggørelse i tidsskriftet Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

En sky 100 gange større end Jordens kredsløb

UC Berkeley-forskerne beregnede, at det polariserede lys blev udsendt fra overfladen af ​​en sfærisk sky med en radius på omkring 100 astronomiske enheder (au), 100 gange længere fra stjernen, end Jorden er fra solen. En optisk glød fra varm gas udgik fra et område på omkring 30 au.

De spektropolarimetriske observationer i 2019 - en teknik, der måler polarisering på tværs af mange bølgelængder af lys - var af AT2019qiz, en tidevandsafbrydelseshændelse placeret i en spiralgalakse i stjernebilledet Eridanus. Nulpolariseringen af ​​hele spektret i oktober indikerer en sfærisk symmetrisk sky af gas - alle de polariserede fotoner balancerer hinanden. Den lille polarisering af novembermålingerne indikerer en lille asymmetri. Fordi disse tidevandsafbrydelser forekommer så langt væk, i centrum af fjerne galakser, fremstår de kun som et lyspunkt, og polarisering er en af ​​få indikationer på objekters former.

"Disse forstyrrelser er så langt væk, at du ikke rigtig kan løse dem, så du kan ikke studere begivenhedens geometri eller strukturen af ​​disse eksplosioner," sagde Filippenko. "Men at studere polariseret lys hjælper os faktisk med at udlede nogle oplysninger om fordelingen af ​​stoffet i den eksplosion eller, i dette tilfælde, hvordan gassen - og muligvis tilvækstskiven - omkring dette sorte hul er formet." + Udforsk yderligere

Død ved spaghettificering:Forskere registrerer sidste øjeblikke af stjerne fortæret af sort hul