Astronomowie z Monash University w Melbourne przyczynili się do przełomu w zrozumieniu dramatycznego losu gwiazd, które zbytnio przybliżają się do supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk.
Dzięki innowacyjnym symulacjom, międzynarodowy zespół badawczy, kierowany przez profesora Daniela Price’a i dr. Davida Liptaia ze Szkoły Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Monash, uchwycił złożony proces rozrywania i pochłaniania tych gwiazd przez czarne dziury, co daje wgląd w tajemnicze emisje optyczne i UV obserwowane podczas tych zdarzeń.
To pierwsza spójna symulacja rozerwania gwiazdy przez oddziaływanie pływowe supermasywnej czarnej dziury, a następnie ewolucji powstałych w wyniku tego odłamków na przestrzeni roku – powiedział prof. Price. Nasze symulacje zapewniają nowe spojrzenie na ostatnie chwile gwiazd w pobliżu supermasywnych czarnych dziur. Dzięki zrozumieniu ewolucji szczątków możemy spróbować połączyć symulacje z rosnącą liczbą zaobserwowanych zdarzeń niszczenia gwiazd identyfikowanych za pomocą badań teleskopowych.
Wyniki badań, opublikowane w „The Astrophysical Journal Letters”, stanowią znaczący krok naprzód w astrofizyce, otwierając nowe możliwości badań nad zachowaniem materii w ekstremalnych polach grawitacyjnych oraz cyklami życia gwiazd i czarnych dziur.
Gdy gwiazda przechodzi zbyt blisko supermasywnej czarnej dziury, intensywne siły grawitacyjne rozrywają ją w procesie znanym jako rozerwanie pływowe (tidal disruption event, TDE). Szczątki gwiazd tworzą strumień, który ostatecznie zasila czarną dziurę. Szczątki gwiazdy tworzą wirujący dysk wokół czarnej dziury, który emituje intensywne promieniowanie w całym spektrum elektromagnetycznym. Jednak wiele aspektów TDE pozostaje słabo poznanych.
Nowe symulacje pokazują, że gruz ten tworzy asymetryczny bąbel wokół czarnej dziury, ponownie przetwarzając energię i wytwarzając obserwowane krzywe blasku z niższymi temperaturami, słabszymi jasnościami i prędkościami gazu rzędu 10 000–20 000 kilometrów na sekundę.
Nasze badania pomagają wyjaśnić kilka zagadkowych właściwości zaobserwowanych dotąd TDE – powiedział prof. Price. Dobrą analogią jest ludzkie ciało: kiedy jemy obiad, temperatura naszego ciała nie zmienia się zbytnio, ponieważ przetwarzamy energię z obiadu na fale podczerwone. W przypadku TDE jest podobnie – w większości przypadków nie widzimy „żołądka” czarnej dziury zjadającego gaz, ponieważ jest on przytłumiony przez materię, która ponownie emituje fale optyczne. Nasze symulacje pokazują, w jaki sposób dochodzi do tego tłumienia.
Inne tajemnice wyjaśnione przez nowe symulacje obejmują:
- Dlaczego TDE są obserwowane na długościach fal optycznych, a nie rentgenowskich, gdzie promieniowanie rentgenowskie byłoby oczekiwane w przypadku akrecji na supermasywną czarną dziurę?
- Dlaczego obserwowane temperatury są zgodne z fotosferą gwiazdy, a nie oczekiwanym gorącym dyskiem akrecyjnym?
- Dlaczego obserwowane zjawiska rozrywania gwiazdy są słabsze, niż oczekiwano na podstawie modeli czarnych dziur wydajnie pożerających materię?
- Dlaczego widma obserwowanych zjawisk pokazują, że materia rozszerza się w naszym kierunku z prędkością kilku procent prędkości światła (10 000–20 000 kilometrów na sekundę).
Zespół badawczy wykorzystał zaawansowany kod Phantom do symulacji hydrodynamiki cząstek wygładzonych, uwzględniając ogólne efekty relatywistyczne w celu dokładnej symulacji dynamiki gwiazd i szczątków. Taki poziom szczegółowości jest kluczowy dla uchwycenia złożonych interakcji i procesów rozpraszania energii, które zachodzą podczas i po rozerwaniu gwiazdy.
Odkrycia potwierdzają teoretyczne istnienie otoczek Eddingtona, które działają jako warstwa przetwarzająca emitowaną energię, wyjaśniając emisję optyczną i ultrafioletową obserwowaną podczas TDE – powiedział prof. Price. Model ten podpowiada również potencjalne wyjaśnienie obserwowanych różnic w rentgenowskich i optycznych krzywych blasku z tych zdarzeń, sugerując, że różne kąty obserwacji mogą odpowiadać za te rozbieżności.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- New simulations shed light on stellar destruction by supermassive black holes
- Eddington Envelopes: The Fate of Stars on Parabolic Orbits Tidally Disrupted by Supermassive Black Holes
Źródło: Monash University
Na ilustracji: Wizja artystyczna ukazująca gwiazdę rozrywaną pływowo przez supermasywną czarną dziurę. Źródło: Monash University
