W 2019 roku astronomowie zaobserwowali najbliższy jak dotąd przykład gwiazdy, która została rozdrobniona po zbyt bliskim podejściu do masywnej czarnej dziury.
To pływowe rozerwanie gwiazdy podobnej do Słońca przez czarną dziurę milion razy masywniejszą od niej samej miało miejsce 215 milionów lat świetlnych od Ziemi. Na szczęście było to pierwsze takie zdarzenie na tyle jasne, że astronomowie z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley mogli zbadać światło optyczne pochodzące ze śmierci gwiazdy, a konkretnie polaryzację światła, aby dowiedzieć się więcej o tym, co stało się po jej rozerwaniu.
Ich obserwacje z 8 października 2019 roku sugerują, że duża część materii gwiazdy została zdmuchnięta z dużą prędkością – do 10 000 km/s – i utworzyła kulisty obłok gazu, który zablokował większość wysokoenergetycznych emisji wytwarzanych, gdy czarna dziura pożarła resztki gwiazdy.
Wcześniejsze obserwacje światła optycznego z wybuchu, nazwanego AT2019qiz, ujawniły, że duża część materii gwiazdy została wyrzucona na zewnątrz w potężnym wietrze. Jednak nowe dane na temat polaryzacji światła, która była w zasadzie zerowa na widzialnych długościach fal, gdy zdarzenie było najjaśniejsze, mówią astronomom, że obłok był prawdopodobnie sferycznie symetryczny.
To pierwszy raz, kiedy ktokolwiek wydedukował kształt obłoku gazu wokół rozrywanej gwiazdy – powiedział Alex Filippenko, profesor astronomii UC Berkeley i członek zespołu badawczego.
Wyniki badań potwierdzają jedną z odpowiedzi na pytanie, dlaczego astronomowie nie widzą wysokoenergetycznego promieniowania, takiego jak promieniowanie rentgenowskie, pochodzącego z wielu spośród dziesiątek zaobserwowanych do tej pory przypadku zaburzeń pływowych: promieniowanie X, które jest nadal wytwarzane przez materię wyrywaną z gwiazdy i wciągniętą do dysku akrecyjnego wokół czarnej dziury przed opadnięciem do środka, jest zasłonięte przez gaz wydmuchiwany na zewnątrz przez potężne wiatry z czarnej dziury.
Ta obserwacja wyklucza klasę rozwiązań, które zostały zaproponowane teoretycznie i daje nam silniejsze ograniczenie na to, co dzieje się z gazem wokół czarnej dziury – powiedział absolwent UC Berkeley, Kishore Patra, główny autor badania. Ludzie widzieli inne dowody na wiatr pochodzący z tych zdarzeń i myślę, że to badanie polaryzacji zdecydowanie wzmacnia te dowody, w tym sensie, że nie można uzyskać sferycznej geometrii bez posiadania wystarczającej ilości wiatru. Interesującym faktem jest tutaj to, że znaczna część materii w gwieździe, która opada spiralnie do wewnątrz, nie wpada ostatecznie do czarnej dziury – jest ona zdmuchiwana z czarnej dziury.
Polaryzacja ujawnia symetrię
Wielu teoretyków wysunęło hipotezę, że gwiezdne szczątki po rozerwaniu tworzą ekscentryczny, asymetryczny dysk, ale oczekuje się, że ekscentryczny dysk wykaże stosunkowo wysoki stopień polaryzacji, co oznaczałoby, że być może kilka procent całego światła jest spolaryzowane. Nie zaobserwowano tego w przypadku owego zdarzenia rozerwania pływowego.
Drugi zestaw obserwacji z 6 listopada, 29 dni po październikowej, ujawnił, że światło było bardzo lekko spolaryzowane, około 1 procent, co sugeruje, że obłok rozrzedził się na tyle, by ujawnić asymetryczną strukturę gazu wokół czarnej dziury. Obie obserwacje pochodzą z 3-metrowego teleskopu Shane w Lick Observatory niedaleko San Jose w Kalifornii, wyposażonego w spektrograf Kasta, instrument, który może określić polaryzację światła w całym widmie optycznym. Światło staje się spolaryzowane – jego pole elektryczne drga głównie w jednym kierunku – kiedy rozprasza się do elektronów w obłoku gazu.
Sam dysk akrecyjny jest wystarczająco gorący, aby emitować większość swojego światła w promieniowaniu X, ale to światło musi przejść przez ten obłok, a tam jest wiele rozproszeń, absorpcji i reemisji światła, zanim może ono uciec z tego obłoku – powiedział Patra. Z każdym z tych procesów światło traci część swojej energii fotonowej, schodząc aż do ultrafioletu i energii optycznej. Końcowe rozproszenie określa następnie stan polaryzacji fotonu. Tak więc, mierząc polaryzację, możemy wnioskować geometrię powierzchni, na której zachodzi końcowe rozproszenie.
Patra zauważa, że ten scenariusz śmierci może odnosić się tylko do normalnych zaburzeń pływowych – nie do „dziwadeł”, w których relatywistyczne strumienie materii są wyrzucane poza bieguny czarnej dziury. Dopiero kolejne pomiary polaryzacji światła z tych zdarzeń odpowiedzą na to pytanie.
Obłok 100 razy większy niż orbita Ziemi
Naukowcy z UC Berkeley obliczyli, że spolaryzowane światło zostało wyemitowane z powierzchni sferycznego obłoku o promieniu około 100 jednostek astronomicznych (j.a.), 100 razy dalej od gwiazdy niż jest Ziemia od Słońca. Optyczna poświata z gorącego gazu emanowała z regionu znajdującego się w odległości 30 j.a.
Obserwacje spektropolaryzacyjne z 2019 roku – technika mierząca polaryzację w wielu długościach fali światła – dotyczyły AT2019qiz, zdarzenia związanego z rozerwaniem pływowym znajdującego się w galaktyce spiralnej w konstelacji Erydanu. Zerowa polaryzacja całego widma w październiku wskazuje sferyczny obłok gazu – wszystkie spolaryzowane fotony równoważą się wzajemnie. Lekka polaryzacja w pomiarach listopadowych wskazuje na niewielką asymetrię. Ponieważ te zaburzenia pływowe występują tak daleko, w centrach odległych galaktyk, pojawiają się tylko jako punkt światła, a polaryzacja jest jedną z niewielu wskazówek dotyczących kształtów obiektów.
Opracowanie:,
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- The ultimate fate of a star shredded by a black hole
- Spectropolarimetry of the tidal disruption event AT 2019qiz: a quasispherical reprocessing layer
Źródło: CU Berkeley
Na ilustracji: Wizja artystyczna gwiazdy rozrywanej przez siły pływowe masywnej czarnej dziury. Źródło: NASA/CXC/M. Weiss.
