Wykrycia te ponad dwukrotnie przewyższają liczbę znanych przypadków zdarzeń rozerwań pływowych w pobliskim Wszechświecie.
Czarne dziury niszczące gwiazdy są wszędzie na niebie, jeżeli tylko wiesz, jak ich szukać. To jeden z wniosków płynących z nowego badania przeprowadzonego przez naukowców z MIT, opublikowanego 29 stycznia 2024 roku w Astrophysical Journal.
Autorzy badania donoszą o odkryciu 18 nowych przypadków rozerwań pływowych (TDE) – ekstremalnych przypadków, w których pobliska gwiazda zostaje przyciągnięta przez pływy do czarnej dziury i rozerwana na strzępy. Gdy czarna dziura ucztuje, wydziela ogromną ilość energii w całym spektrum elektromagnetycznym.
Astronomowie odkryli wcześniejsze zjawiska rozerwań pływowych, poszukując charakterystycznych rozbłysków w paśmie optycznym i rentgenowskim. Do tej pory poszukiwania te ujawniły około tuzina przypadków niszczenia gwiazd w pobliskim Wszechświecie. Nowe odkrycia zespołu MIT ponad dwukrotnie powiększają katalog znanych TDE we Wszechświecie.
Naukowcy zauważyli te wcześniej „ukryte” zdarzenia, obserwując je w niekonwencjonalnym paśmie: podczerwieni. Oprócz emitowania błysków optycznych i rentgenowskich, TDE mogą generować promieniowanie podczerwone, szczególnie w „zapylonych” galaktykach, w których centralna czarna dziura jest otoczona galaktycznymi szczątkami. Pył w tych galaktykach zwykle pochłania i przesłania światło optyczne i rentgenowskie, a także wszelkie oznaki TDE w tych pasmach. W trakcie tego procesu pył również się nagrzewa, wytwarzając wykrywalne promieniowanie podczerwone. Zespół odkrył, że emisje w podczerwieni mogą być oznaką rozerwań pływowych.
Patrząc w paśmie podczerwieni, zespół MIT zidentyfikował znacznie więcej TDE w galaktykach, w których takie zdarzenie były wcześniej ukryte. 18 nowych zdarzeń miało miejsce w różnych typach galaktyk, rozrzuconych po całym niebie.
Większość tych źródeł nie jest widoczna w pasmach optycznych – powiedziała główna autorka Megan Masterson, doktorantka w Kavli Institute for Astrophysics and Space Research na MIT. Jeżeli chcesz zrozumieć TDE jako całość i wykorzystać je do badania demografii supermasywnych czarnych dziur, musisz spojrzeć w pasmo podczerwieni.
Skok temperatury
Niedawno zespół odkrył najbliższe do tej pory zdarzenie TDE, analizując obserwacje w podczerwieni. To odkrycie otworzyło nową drogę opartą na podczerwieni, umożliwiając astronomom poszukiwanie aktywnie zasilających się czarnych dziur.
Grupa była zachęcona do poszukiwania kolejnych TDE po pierwszej detekcji. W ramach nowego badania naukowcy przeszukali archiwalne obserwacje wykonane przez NEOWISE, odnowioną wersję teleskopu Wide-field Infrared Survey Explorer. Ten teleskop satelitarny został uruchomiony w 2009 roku i po krótkiej przerwie kontynuował skanowanie całego nieba w poszukiwaniu obiektów przejściowych, czyli krótkich rozbłysków.
Zespół przeanalizował zarchiwizowane obserwacje misji przy użyciu algorytmu opracowanego przez współautora Kishalaya De. Ten algorytm wyłapuje wzorce w emisjach w podczerwieni, które są potencjalnymi sygnałami przejściowych rozbłysków promieniowania podczerwonego. Następnie zespół porównał oznaczone stany przejściowe z katalogiem wszystkich znanych pobliskich galaktyk w promieniu 200 megaparseków, co odpowiada 600 milionom lat świetlnych. Okazało się, że zjawiska przejściowe w podczerwieni można przypisać do około 1000 galaktyk.
Następnie dokonano zbliżenia sygnału każdej galaktyki w podczerwieni, aby określić, czy pochodzi on ze źródła innego niż TDE, takiego jak aktywne jądro galaktyczne lub supernowa. Po wykluczeniu tych możliwości, zespół przeanalizował pozostałe sygnały, poszukując wzorca w podczerwieni charakterystycznego dla TDE – czyli ostrego skoku, po którym następuje stopniowy spadek. Ten wzorzec odzwierciedla proces, w którym czarna dziura, rozrywając gwiazdę, nagle podgrzewa otaczający pył do około 1000 Kelwinów, a następnie stopniowo się ochładza.
Analiza ta ujawniła 18 „czystych” sygnałów rozerwań pływowych. Naukowcy dokonali przeglądu galaktyk, w których znaleziono każde TDE, i zauważyli, że występowały one w różnych układach, w tym w zapylonych galaktykach, na całym niebie.
Gdybyś spojrzał na niebo i zobaczył kilka galaktyk, TDE występowałyby reprezentatywnie we wszystkich z nich – powiedziała Masterson. To nie jest tak, że występują one tylko w jednym typie galaktyk, jak sądzono na podstawie badań optycznych i rentgenowskich.
Teraz możliwe jest spojrzenie przez pył i uzupełnienie spisu pobliskich TDE – powiedział Edo Berger, profesor astronomii na Uniwersytecie Harvarda, który nie był zaangażowany w badania. Szczególnie ekscytującym aspektem tej pracy jest potencjał dalszych badań za pomocą dużych przeglądów w podczerwieni i jestem podekscytowany, aby zobaczyć, jakie odkrycia przyniosą.
Zakurzone rozwiązanie
Odkrycia dokonane przez zespół przyczyniły się do rozwiązania kilku istotnych kwestii związanych z badaniem rozerwań pływowych. Na przykład, przed tymi badaniami astronomowie obserwowali TDE głównie w jednym typie galaktyk – układzie „po-gwiazdotwórczym”, który wcześniej był miejscem intensywnej gwiazdotwórczości, ale od tego czasu się uspokoił. Ten typ galaktyk jest rzadki, i naukowcy zastanawiali się, dlaczego TDE pojawiają się tylko w tych rzadkich układach. Okazuje się, że te układy są również stosunkowo pozbawione pyłu, co sprawia, że emisja optyczna lub rentgenowska TDE jest naturalnie łatwiejsza do wykrycia.
Teraz, patrząc w paśmie podczerwieni, astronomowie są w stanie dostrzec TDE w znacznie większej liczbie galaktyk. Nowe wyniki zespołu pokazują, że czarne dziury mogą pożerać gwiazdy w wielu galaktykach, nie tylko w układach po-gwiazdotwórczych.
Odkrycia te rozwiązują również problem „brakującej energii”. Fizycy teoretycznie przewidywali, że TDE powinny emitować więcej energii niż faktycznie zaobserwowano. Zespół MIT twierdzi jednak, że pył może wyjaśnić tę rozbieżność. Odkryli oni, że jeżeli TDE występuje w zapylonej galaktyce, sam pył może absorbować nie tylko emisje optyczne i rentgenowskie, ale także ekstremalne promieniowanie UV, w ilości odpowiadającej przypuszczalnej „brakującej energii”.
18 nowych detekcji pomaga również astronomom oszacować częstotliwość wystąpienia TDE w danej galaktyce. Po uwzględnieniu nowych TDE z poprzednimi detekcjami, oszacowano, że galaktyka doświadcza rozerwań pływowych raz na 50 000 lat. Częstotliwość ta jest bliższa teoretycznym przewidywaniom fizyków. Wraz z kolejnymi obserwacjami w podczerwieni, zespół ma nadzieję określić częstotliwość występowania TDE i właściwości czarnych dziur, które je napędzają.
Ludzie wymyślili bardzo egzotyczne rozwiązania tych zagadek, a teraz doszliśmy do punktu, w którym możemy je wszystkie rozwiązać – powiedziała Kara. To daje nam pewność, że nie potrzebujemy całej tej egzotycznej fizyki, aby wyjaśnić to, co widzimy. Mamy też lepszą wiedzę na temat mechaniki stojącej za tym, jak gwiazda zostaje rozerwana i pochłonięta przez czarną dziurę. Lepiej rozumiemy te systemy.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Astronomers spot 18 black holes gobbling up nearby stars
- A New Population of Mid-infrared-selected Tidal Disruption Events: Implications for Tidal Disruption Event Rates and Host Galaxy Properties
Źródło: MIT
Na ilustracji: Naukowcy z MIT zidentyfikowali 18 nowych zdarzeń związanych z rozerwaniami pływowymi (TDE). Źródło: Dzięki uprzejmości badaczy, pod redakcją MIT News
