Czarna dziura rozrywa pobliską gwiazdę

Po raz pierwszy w historii astronomowie zaobserwowali bezpośrednio powstawanie i ekspansję szybko poruszającego się strumienia wyrzucanej materii, gdy potężna grawitacja supermasywnej czarnej dziury rozerwała gwiazdę błąkającą się zbyt blisko tego kosmicznego potwora.

Astronomowie śledzili to zjawisko przy pomocy radioteleskopów oraz teleskopów obserwujących w podczerwieni. Doszło do niego w parze zderzających się galaktyk Arp 299 w odległości blisko 150 mln lat świetlnych od Ziemi. W jądrze jednej z galaktyk czarna dziura 20 mln razy większa niż Słońce rozszarpała gwiazdę o dwukrotnej masie Słońca, co doprowadziło do uruchomienia łańcucha zdarzeń, który ukazał nam ważne szczegóły tego gwałtownego spotkania.

Dotąd stwierdzono tylko kilka takich przypadków, zwanych TDE (Tidal Disruption Events), chociaż naukowcy postawili hipotezę, że mogą one występować częściej. Teoretycy sugerowali, że materia wyrzucona z rozerwanej gwiazdy tworzy dysk rotujący wokół czarnej dziury, emitując intensywne promieniowanie w zakresie rentgenowskim oraz widzialnym, a także uwalnia strumienie materii z biegunów dysku z prędkością bliską prędkości światła. 

Pierwszy sygnał został zarejestrowany 30 stycznia 2005 roku, gdy astronomowie korzystający z teleskopu Herschela znajdującego się na Wyspach Kanaryjskich odkryli wyraźny impuls w podczerwieni pochodzący z jądra jednej ze zderzających się galaktyk w Arp 299. 17 lipca 2005 r. VLBA pokazał nowe, wyraźne źródło emisji radiowej z tego samego miejsca.

W miarę upływu czasu obiekt świecił jasno w podczerwieni i na falach radiowych, jednak w świetle widzialnym i promieniach X był niewidoczny. Najbardziej prawdopodobne wyjaśnienie jest takie, że gęsty gaz międzygwiazdowy oraz pył w pobliżu centrum galaktyki pochłania promieniowanie rentgenowskie oraz światło widzialne, a następnie emituje je ponownie w podczerwieni.

Dalsze obserwacje z VLBA, VLBI oraz innych radioteleskopów, prowadzone przez niemal dekadę wykazały, że źródło emisji radiowej rozszerza się w jednym kierunku, zgodnie z teorią mówiącą o dżecie. Zmierzona ekspansja wykazała, że materia w dżecie porusza się ze średnią prędkością równą ¼ prędkości światła. Na szczęście fale radiowe nie są pochłaniane przez jądro galaktyki i także z niego są odbierane na Ziemi.

Do obserwacji tych wykorzystano wiele anten radioteleskopów oddalonych od siebie o tysiące kilometrów, dzięki czemu uzyskano lepszą zdolność rozdzielczą, możliwość dostrzeżenia drobnych szczegółów, potrzebnych do wykrycia ekspansji tak odległego obiektu. Cierpliwe lata gromadzenia danych nagrodziły astronomów dowodami na to, że faktycznie obserwują dżet.

Większość galaktyk posiada w swoich jądrach supermasywne czarne dziury o masach od milionów do miliardów mas Słońca. Kiedy takie supermasywne czarne dziury aktywnie przyciągają materię z otoczenia, tworzy się dysk wokół czarnej dziury a superszybkie strumienie cząstek są wystrzeliwane w postaci dżetów na zewnątrz. Jest to zjawisko obserwowane w galaktykach radiowych i kwazarach.

Przez większość czasu supermasywne czarne dziury nie pożerają niczego, więc są w spokojnym stanie. Zdarzenia związane z TDE mogą zapewnić astronomom wyjątkową okazję do pogłębienia ich wiedzy na temat formowania się i ewolucji dżetów w okolicach tych potężnych obiektów.

Z uwagi na pył pochłaniający promieniowanie w zakresie widzialnym, to konkretne zdarzenie może stanowić zaledwie wierzchołek góry lodowej tego, co do tej pory było ukrytą populacją tego typu zdarzeń. Poszukując ich za pomocą teleskopów podczerwonych oraz radioteleskopów astronomowie mogą być w stanie odkryć ich o wiele więcej.

Zdarzenia takie mogły częściej występować w odległym Wszechświecie, zatem ich badanie może pomóc naukowcom w zrozumieniu środowiska, w którym galaktyki powstały miliardy lat temu.

Odkrycie to, jak potwierdzają naukowcy, było niespodzianką. Początkowy rozbłysk w podczerwieni został odkryty w ramach projektu poszukiwania supernowych w parach zderzających się galaktyk. W Arp 299 obserwowano liczne eksplozje gwiazd a sam obiekt nazwano „fabryką supernowych”. Nowy obiekt pierwotnie uznany był za wybuch supernowej. Dopiero w 2011 roku, sześć lat po odkryciu, część obiektu emitująca fale radiowe zaczęła wykazywać rozciągłość. Późniejsze monitorowanie wykazało, że ekspansja rośnie, potwierdzając, że jest to dżet a nie supernowa.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
Astronomers See Distant Eruption as Black Hole Destroys Star

Źródło: NRAO

Na zdjęciu: Wizja artystyczna TDE w Arp 299. Źródło: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF; NASA, STScI