Jest to najbardziej prawdopodobne wyjaśnienie fenomenu regularnego pojaśnienia obserwowanego co 114 dni w centrum aktywnej galaktyki ESO 253-3. O wielkości paszczy tego galaktycznego potwora świadczy fakt, że jeden „kęs” waży aż około trzy masy Jowisza - tak oszacowali astronomowie. W końcu ta supermasywna czarna dziura pożre całą gwiazdę.
Astronomowie nazywają galaktykami aktywnymi takie galaktyki, które są niezwykle jasne lub wykazują zmienność w centralnym obszarze zwanym jądrem. Aktywne centrum takiej galaktyki może wygenerować więcej energii niż wszystkie pozostałe gwiazdy. Nadwyżka tej energii może być obserwowana w zakresie optycznym, jak również w ultrafiolecie i zakresie rentgenowskim.
Astrofizycy uważają, że ta dodatkowa emisja promieniowania powstaje w pobliżu supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w centrum galaktyki - tam, gdzie obracający się dysk gazowo-pyłowy rozgrzewa się w wyniku działania sił grawitacyjnych i tarcia. Supermasywna czarna dziura powoli konsumuje tą materię, co zwykle objawia się w postaci przypadkowych zmian jasności promieniowania emitowanego przez dysk.
TDE - zjawisko rozerwania pływowego przez supermasywną czarną dziurę
Czasami następują wyjątkowe zdarzenia w centrum galaktyki z rezydującą supermasywną czarną dziurą. Gdy większy obiekt taki jak np. gwiazda, przekroczy odległość do supermasywnej czarnej dziury, przy której jej siły pływowe pokonują siłę grawitacji utrzymującą gwiazdę w całości. Wtedy obserwuje się zjawisko rozerwania pływowego TDE (skrót z j.ang. Tidal Disruption Event) - podobne do wybuchu supernowej w galaktyce, które jednak ma inną charakterystykę obserwacyjną. Materia z rozerwanej gwiazdy generuje przemijający rozbłysk promieniowania elektromagnetycznego, który obserwujemy jako TDE.
Całkowite rozerwanie pływowe gwiazdy poruszającej się po orbicie parabolicznej prowadzi do tego, że połowa masy zniszczonej gwiazdy jest wyrzucana z układu, podczas gdy druga połowa staje się związana grawitacyjnie i asymptotycznie powraca do perycentrum w ilości, którą można opisać potęgową funkcją czasu „t” (~t-5/3). To określa kształt opadającej części krzywej blasku zjawiska TDE.
W przypadku częściowego zjawiska rozerwania pływowego gwiazdy przez supermasywną czarną dziurę następuje utrata tylko części otoczki gwiazdy, bez naruszania jądra gwiazdy. W takiej sytuacji zgodnie z teorią powinno się obserwować bardziej stromy spadek ilości materii na perycentrum w funkcji czasu niż ~t-5/3, ponieważ jest mniej pozostałości po gwieździe z energią orbitalnego wiązania bliską zeru. Astronomowie znaleźli, że jeżeli jądro gwiazdy po spotkaniu z supermasywną czarną dziurą jest nienaruszone, to ilość materii spadającej na perycentrum orbity maleje z czasem jak ~t-9/4. Zostało to również potwierdzone w symulacjach hydrodynamicznych.
Zdjęcie aktywnej galaktyki ESO 253-3, która jest jedną z pierwszych, w której zaobserwowano regularnie występujące rozbłyski świetlne. Galaktyka znajduje się w odległości około 570 milionów lat świetlnych na południowym niebie w gwiazdozbiorze Malarza (łąc. Pictor). Teleskop ESO wykonał to zdjęcie w ramach „zabawnego” przeglądu nieba AMUSING (skrót od ang. the All-weather MUse Supernova Integral-field of Nearby Galaxies ). Źródło: Michael Tucker (University of Hawai’i) and the AMUSING survey
ASASSN-14ko w galaktyce aktywnej ESO 253-3
W dniu 14 listopada 2014 r. zostało zarejestrowane przez przegląd obserwacyjny nieba ASAS-SN pojaśnienie V ~ 17 mag w aktywnej galaktyce ESO 253-3, znajdującej się w odległości około 570 milionów l.św. w gwiazdozbiorze Malarza (łac. Pictor).
Zgodnie z numeracją przeglądu ASAS-SN to zjawisko otrzymało oznaczenie ASASSN-14ko i zgłoszono w telegramie astronomicznym nr 6732 jako supernową typu II. Wtedy astronomowie uważali, że to było jednorazowe zdarzenie - nastąpił kolaps jądra masywnej gwiazdy i wybuch supernowej, który ją zniszczył.
Jednak sześć lat później, Anna Payne - absolwentka Uniwersytetu Hawajskiego z 2019 roku przeglądała dane ASAS-SN do pracy doktoranckiej na temat znanych aktywnych galaktyk. Patrząc na krzywą blasku ESO 253-3 z tego okresu natychmiast zauważyła sekwencję równo rozmieszczonych w czasie pojaśnień. Razem zaobserwowano 17 zjawisk powtarzających się co około 114 dni. W każdym rozbłysku jasność rosła do maksimum w ciągu 5 dni i potem stopniowo malała.
Na podstawie dotychczasowej efemerydy astronomowie przewidzieli, że galaktyka rozbłyśnie ponownie w dniu 17 maja 2020 r.. Do obserwacji tego zjawiska, oprócz teleskopów ASAS-SN zaangażowano również Swift (obserwatorium satelitarne działające w zakresie promieniowania gamma). ASASSN-14ko wybuchła zgodnie z efemerydą. Od tego czasu astronomowie obserwowali kolejne rozbłyski w dniu 7 września i 20 grudnia 2020 r.
Przy okazji udało się również znaleźć w archiwum obserwacji satelity TESS całą krzywą blasku pojaśnienia, które rozpoczęło się w dniu 7 listopada 2018 r. Jest to najlepiej udokumentowana krzywa blasku pojaśnienia w galaktyce ESO 253-3, ponieważ satelita TESS wykonywał pomiary fotometryczny co 30 minut.
Autorzy publikacji porównali krzywą blasku ASASSN-14ko z ASASSN-19bt, która odpowiada jednorazowemu zjawisku TDE, gdy cała gwiazda jest niszczona. Krzywa blasku ASASSN-14ko podczas pojaśnienia wzrasta i opada szybciej niż w przypadku ASASSN-19bt. Gdyby skompresować krzywą blasku ASASSN-19bt mnożąc przez 0.3 skalę czasową, to wtedy staje się ona bardzo podobna do krzywej blasku ASASSN-14ko.
Wyjaśnienie zjawiska ASASSN-14ko
Analizując obserwacje z teleskopów ASAS-SN, TESS, Swift oraz NuSTAR i XMM-Newton, A. Payne ze współpracownikami przygotowała publikację pt „ASASSN-14ko jako zjawisko okresowe w jądrze ESO 253−G003”, która aktualnie jest na etapie weryfikacji.
Autorzy zaproponowali w tej publikacji następujące wyjaśnienia zjawiska ASASSN-14ko:
1. oddziaływanie dysków akrecyjnych układu podwójnego supermasywnych czarnych dziur o masach ~50 mln Mʘ każda i rozmiarach sub-parsekowych,
2. oddziaływanie pomiędzy gwiazdą poruszającą się po orbicie o dużym kącie nachylenia i płaszczyzną dysku supermasywnej czarnej dziury o masie ~50 mln Mʘ;
3. powtarzające się częściowe rozrywanie pływowe masywnej gwiazdy przez supermasywną czarną dziurę.
Przeciwko pierwszej, a zarazem najmniej prawdopodobniej hipotezie świadczy tempo zmiany okresu Ṗ = (ΔP/Δt) = -0.0017, które jest o jeden rząd większe niż oczekiwane dla emisji fal grawitacyjnych w takim układzie. Innymi argumentami przeciwko tej hipotezie są: bardzo krótki czas istnienia takiego układu oraz brak obserwowanych przesunięć prędkości radialnych.
Druga hipoteza z gwiazdą masywną cyklicznie przechodzącą przez dysk akrecyjny supermasywnej czarnej dziury jest bardziej prawdopodobna niż pierwsza, ale nie znajduje potwierdzenia w obserwacjach, ponieważ gwiazda masywna powinna poruszać się po orbicie o dużym nachyleniu względem płaszczyzny dysku. Oznaczałoby to, że okres orbitalny nie jest 114 dni, a raczej 228 dni - z rozbłyskami występującymi dwukrotnie co 114 dni, gdy gwiazda przechodzi przez dysk akrecyjny.Więc orbita powinna być kołowa, by uzyskać powtarzalność zjawiska dokładnie co 114 dni. I co więcej - gwiazda, mijając w ruchu orbitalnym dysk akrecyjny w dwóch różnych miejscach, powinna prawie na pewno generować różne efekty. Tymczasem począwszy od odkrycia w 2014 roku rozbłyski wydają się być podobne do siebie.
Dlatego zespół astrofizyków przyjął jako najbardziej prawdopodobne trzecie wyjaśnienie zjawiska ASASSN-14ko - powtarzające się częściowe rozrywanie pływowe masywnej gwiazdy.
W tym scenariuszu zakłada się, że supermasywna czarna dziura o masie 78 milionów Mʘ częściowo wysysa gaz z orbitującej wokół niej gwiazdy-olbrzyma. Gwiazda porusza się po orbicie eliptycznej i za każdym razem w peryastronie siły grawitacyjne czarnej dziury powodują powstanie silnego wybrzuszenia w gwieździe, przez które supermasywna czarna dziura kradnie materię z gwiazdy, ale nie powodując jej całkowitego rozerwania. Podczas każdego takiego spotkania gwiazda traci ilość gazu, która odpowiada trzem masom Jowisza (~3/1000 Mʘ).
Wizja artystyczna supermasywnej czarnej dziury w centrum aktywnej galaktyki ESO 253-3, która wysysa regularnie co 114 dni materię z gwiazdy-olbrzyma, gdy osiąga na orbicie punkt najbliższy czarnej dziurze. Materia zderza się ze szczątkowym dyskiem wokół tej supermasywnej czarnej dziury, wywołując rozbłysk świetlny, który po raz pierwszy został zaobserwowany w 2014 roku przez teleskopy z przeglądu nieba ASAS-SN i oznaczony jako ASASSN-14ko. Źródło: NASA’s Goddard Space Flight Center/Chris Smith (USRA/GESTAR)
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Więcej informacji:
Publikacja naukowa (na razie w arXiv): ASASSN-14ko is a Periodic Nuclear Transient in ESO 253-G003
NASA Missions Help Investigate an ‘Old Faithful’ Active Galaxy
Film na Youtube ilustrujących to zjawisko: Swift, TESS Catch Eruptions From an Active Galaxy
Źródło: NASA
Na ilustracji: wizja artystyczna supermasywnej czarnej dziury wysysającej cyklicznie strumień materii z gwiazdy, która zbliżyła się za bardzo. To zjawisko ma miejsce najprawdopodobniej w centrum aktywnej galaktyki ESO 253-3. Źródło: NASA’s Goddard Space Flight Center/Chris Smith (USRA/GESTAR)
