Kara delik beslenme modellerinde kozmik bir mekanizmanın kodu çözüldü

Daha önce anlaşılması zor ve görünmez olan kara delikler, yıldızların şiddetli bir şekilde yok edildiği ve çok uzak mesafelerde gözlemlenebilen parlak işaret fişekleri ürettiği gelgit rahatsızlığı olaylarının (TDE’ler) gözlemlenmesiyle tespit edildi.

Işık kaynağının çarpıcı biçimde karartılması, onun Dünya’dan yaklaşık 860 milyon ışıkyılı uzaklıktaki konumunu doğruluyor kesinlik Syracuse Üniversitesi’nden bir astrofizikçi ekibi tarafından geliştirilen ayrıntılı bir modelden, Massachusetts Teknoloji EnstitüsüVe Uzay Teleskobu Bilim Enstitüsü.

TDE’ler aracılığıyla kara delikleri anlamak

Güçlü teleskoplar, örneğin NASAHubble, James Webb ve Chandra X-ışını Gözlemevleri, bilim insanlarına kara deliklerin fiziğini keşfetmeleri için derin uzaya açılan bir pencere sağlıyor. Birisi bir kara deliği nasıl “görebildiğinizi” merak etse de, Kara delikTüm ışığı emen yıldızlar, bir yıldızın süper kütleli bir kara delik tarafından yok edildiği ve “parlak bir birikim parlamasını” besleyebildiği gelgit bozulması olayları (TDE’ler) sayesinde mümkün olur. Parlaklıkları Güneş’ten binlerce milyar kat daha parlak olan birikim olayları, astrofizikçilerin kozmik mesafelerdeki süper kütleli kara delikleri (SMBH’ler) incelemesine olanak tanıyor.

TDE’ler, bir yıldızın kara deliğin devasa kütleçekim alanı tarafından şiddetli bir şekilde parçalanmasıyla meydana gelir. Yıldız parçalandıkça kalıntıları, kara deliğin üzerine geri düşen bir enkaz akışına dönüşerek, kara deliğin etrafında dönen, birikim diski adı verilen son derece sıcak, parlak bir malzeme diski oluşturur. Bilim insanları, TDE’leri doğrudan gözlemlemek için bu fenomeni inceleyebilir ve gözlemleri parçalanmış yıldızların ve parçalanmış kara deliklerin fiziksel özelliklerine bağlamak için bunları teorik modellerle karşılaştırabilirler.

Kara delik araştırmasındaki yenilikler

Syracuse Üniversitesi, MIT ve Uzay Teleskobu Bilim Enstitüsü’nden fizikçilerden oluşan bir ekip, yinelenen bir kısmi TDE olan AT2018fyk’nin parlaklaşmasını ve kararmasını tahmin etmek için ayrıntılı modelleme kullandı; bu, yıldızın yüksek yoğunluklu çekirdeğinin SMBH ile yerçekimsel etkileşimden kaçtığı anlamına geliyor. kara deliğin yörüngesine giriyor ve birden fazla kez yırtılıyor.

Model, AT2018fyk’in Ağustos 2023’te “karartılacağını” öngördü; bu tahmin, kaynağın geçen yaz ortadan kaybolmasıyla doğrulandı ve modellerinin kara deliklerin fiziğini keşfetmenin yeni bir yolunu sunduğuna dair kanıt sağladı. Sonuçları Nature dergisinde yayınlandı. the Astrofizik Günlük Mektupları.

Yüksek enerji kaynağı

İnanılmaz derecede ayrıntılı galaktik araştırmalar sayesinde bilim adamları, her zamankinden daha fazla gelen ve giden ışık kaynağını gözlemliyor. Anketler, kaynakların ani parlaklaşmasını veya kararmasını bulmak için yarıkürelerin tamamını tarıyor ve bu da araştırmacılara bir şeylerin değiştiğini gösteriyor. Oturma odanızdaki yalnızca görünür ışığa odaklanabilen teleskopun aksine, Chandra gibi teleskoplar, milyonlarca derece sıcak madde tarafından yayılan X-ışını spektrumu olarak adlandırılan ışık kaynaklarını tespit edebilir.

Görünür ışık ve X ışınlarının her ikisi de elektromanyetik radyasyonun formlarıdır, ancak X ışınlarının dalga boyları daha kısadır ve daha büyük enerjiye sahiptir. Sobanızı açtıktan sonra “kırmızı sıcak” hale gelmesine benzer şekilde, diski oluşturan gaz da farklı sıcaklıklarda “parlıyor” ve en sıcak malzeme kara deliğe en yakın konumda bulunuyor. Ancak, birikim diskindeki daha sıcak gaz, enerjisini gözle görülebilen optik dalga boylarında yaymak yerine, X-ışını spektrumunda yayılıyor. Bunlar, doktorların yumuşak dokudan geçebilen kemiklerinizi görüntülemek için kullandıkları X ışınlarının aynısıdır ve bu göreceli şeffaflık nedeniyle NASA’nın X-ışını teleskopları tarafından kullanılan dedektörler, bu yüksek enerjili radyasyonu tespit etmek için özel olarak tasarlanmıştır.

Tekrarlanan performans

Ocak 2023’te, aralarında Syracuse Üniversitesi Fizik Bölümü profesörü Eric Coughlin ve Dheeraj R. MIT’de araştırma bilimcisi olan “D.J.” Basham ve Uzay Teleskobu Bilim Enstitüsü’nden Thomas Wevers, bir makale yazdılar. Astrofizik Günlük Mektupları Bu ekip kısmi TDE yinelenmesi için ayrıntılı bir model önerdi. Elde ettikleri sonuçlar, bir yıldızın süper kütleli bir kara deliğin etrafındaki yeniden giriş yörüngesini haritalandıran ilk çalışma oldu ve evrendeki en ekstrem ortamlardan biri hakkında yeni bilgiler ortaya çıkardı.

Ekip, çalışmalarını AT2018fyk (AT, “geçici astrofiziksel fenomen” anlamına gelir) olarak bilinen bir TDE fenomenine dayandırdı; burada bir yıldızın, “sırt yakalama” olarak bilinen bir değişim süreci yoluyla süper kütleli bir kara delik tarafından yakalandığı öne sürüldü. Başlangıçta, iki yıldızdan biri bir ikili sistemin parçasıydı (ortak çekimleri altında birbirinin etrafında dönen iki yıldız) ve bir yıldızın kara deliğin çekim alanı tarafından yakalandığı, diğer (yakalanmamış) yıldızın ise kara deliğin çekim alanı tarafından yakalandığı varsayılmıştı. galaktik merkez ~ 1000 km/s’ye yakın hızlardadır.

AT2018fyk’in emisyonunu besleyen yıldız, süper kütleli kara deliğe bağlandıktan sonra, kara deliğe en yakın geçişinden her geçişinde defalarca dış kabuğundan sıyrılıyor. Yıldızın soyulmuş dış katmanları, araştırmacıların uzak galaksilerden gelen ışığı izleyen X-ışını ve ultraviyole/optik teleskoplar kullanarak inceleyebileceği parlak birikim diskini oluşturur.

Süper kütleli kara deliğin yoğun çekim alanı yıldızı yok ettiği için TDE’ler tipik olarak “tek seferlik” olsa da, bu da süper kütleli kara deliğin birikim parlamasından sonra tekrar karanlığa gömülmesi anlamına gelirken, AT2018fyk tekrarlanan kısmi bir TDE’yi keşfetmek için eşsiz bir fırsat sundu.

Araştırma ekibi, ilk ve sonraki keşifleri yapmak için üç teleskop kullandı: her ikisi de NASA tarafından işletilen SWIFT ve Chandra ve bir Avrupa misyonu olan XMM-Newton. İlk kez 2018’de tespit edilen AT2018fyk, yaklaşık 860 milyon ışıkyılı uzaklıkta yer alıyor; bu, ışığın yolculuğunun zaman alması nedeniyle yaklaşık 860 milyon yıl önce “gerçek zamanlı” olarak gerçekleştiği anlamına geliyor.

Ekip, ışık kaynağının Ağustos 2023 civarında aniden ortadan kaybolacağını, ardından 2025 yılında kara deliğin üzerinde yeni sıyrılan madde biriktiğinde yeniden parlayacağını tahmin etmek için ayrıntılı modeller kullandı.

Geleceği keşfetmek: beklentiler ve çıkarımlar

Modellerinin doğruluğunu doğrulayan ekip, 14 Ağustos 2023’ten başlayarak iki aylık bir süre boyunca X-ışını akışında bir azalma olduğunu bildirdi. Bu ani değişiklik, emisyonun ikinci kez durması olarak yorumlanabilir.

Coughlin, “Gözlemlenen emisyonun kapatılması, modelimizin ve varsayımlarımızın geçerli olduğunu gösteriyor ve gerçekten de bir yıldızın uzaktaki aşırı büyük bir kara delik tarafından yavaş yavaş yutulduğunu gördüğümüzü gösteriyor” diyor. “Geçen yılki makalemizde AT2018fyk’nin Ağustos 2023’te ani ve hızlı bir solma göstermesi gerektiğini tahmin etmek için ilk patlama, solma ve yeniden parlamadan kaynaklanan kısıtlamaları kullandık. eğer Yıldız, ikinci patlamaya yol açan ikinci karşılaşmadan sağ kurtuldu.

Sistemin bu beklenen kapanmayı göstermesi, bir yıldız ile bir kara delik arasındaki birçok farklılığa işaret ediyor:

• Yıldız, kara delikle ikinci karşılaşmasından sağ kurtuldu;
• Kara deliğe dönen enkazın oranı, AT2018fyk’in parlaklığıyla yakından ilişkilidir;
• Yıldızın kara deliğin etrafındaki yörünge periyodu yaklaşık 1.300 gün, yani yaklaşık 3,5 yıldır.

İkinci kesinti, 2025 yılının Mayıs ve Ağustos ayları arasında başka bir yeniden parlaklaşmanın gerçekleşmesi gerektiğini ve yıldızın ikinci karşılaşmadan sağ çıkması durumunda, 2027 Ocak ve Temmuz ayları arasında üçüncü bir kesintinin gerçekleşmesinin beklendiğini gösteriyor.

Coughlin, 2025’te bir yeniden parlama göreceğimize güvenip güvenemeyeceğimize gelince, ikinci kesimin keşfinin, yıldızın yakın zamanda daha fazla kütlesinden arındırıldığı ve üçüncü bir parlaklık üretmek için kara deliğe geri dönmesi gerektiği anlamına geldiğini söylüyor.

“Tek belirsizlik emisyonun zirvesidir” diyor. “İkinci yeniden parlaklaşma zirvesi birinciden çok daha zayıftı ve üçüncü patlamanın daha zayıf olması talihsiz bir durum. Tespit edilebilirliği sınırlayabilecek tek şey bu. bu üçüncü patlamanın.”

Coughlin, bu modelin, belirli bir galakside her milyon yılda bir meydana geldiği düşünülen son derece nadir kısmi TDE’lerin sıklığını incelemek için heyecan verici yeni bir yolu temsil ettiğine dikkat çekiyor. Şu ana kadar bilim adamlarının bu davranışı sergileyen yalnızca dört veya beş sistemle karşılaştığını söylüyor.

“Daha sık görülen kısmi TDE’leri tespit eden gelişmiş tespit teknolojisinin ortaya çıkmasıyla birlikte, bu modelin bilim adamları için bu keşifleri tanımlamada önemli bir araç olmasını bekliyoruz” diyor.

Referans: “AT2018fyk’nin Olası İkinci Kapatılması: Tekrarlayan Kısmi Gelgit Bozulması Olay Modeli Altında Hayatta Kalan Yıldızın Güncellenmiş Yörünge Takvimi”, Dheeraj Basham, E.R. Coughlin ve M. Güllo ve T. Weavers, C.J. Nixon ve Jason T. Hinkle ve A. Bandopadhyay, 14 Ağustos 2024, Astrofizik Günlük Mektupları.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad57b3