Космический механизм расшифрован в схемах питания черных дыр

Черные дыры, ранее неуловимые и невидимые, были обнаружены путем наблюдения за приливными возмущениями (TDE), когда звезды сильно разрушаются, генерируя светящиеся вспышки, которые можно наблюдать на огромных расстояниях.

Резкое затемнение источника света подтверждает его местоположение примерно в 860 миллионах световых лет от Земли. точность Из подробной модели, разработанной командой астрофизиков из Сиракузского университета, Массачусетский технологический институти Научный институт космического телескопа.

Понимание черных дыр с помощью TDE

Мощные телескопы, например НАСАРентгеновские обсерватории «Хаббл», «Джеймс Уэбб» и «Чандра» предоставляют ученым окно в глубокий космос для изучения физики черных дыр. Хотя можно задаться вопросом, как можно «увидеть» черную дыру, Черная дыраЗвезды, поглощающие весь свет, стали возможными благодаря приливным разрушениям (TDE), когда звезда разрушается сверхмассивной черной дырой и может подпитывать «светящуюся аккреционную вспышку». Аккреционные явления, светимость которых в тысячи миллиардов раз превышает яркость Солнца, позволяют астрофизикам изучать сверхмассивные черные дыры (СМЧД) на космических расстояниях.

TDE возникает, когда звезда резко разрывается на части массивным гравитационным полем черной дыры. Когда звезда разрывается, ее остатки превращаются в поток обломков, который падает обратно на черную дыру, образуя чрезвычайно горячий и яркий диск материала, вращающийся вокруг черной дыры, называемый аккреционным диском. Ученые могут изучать это явление, чтобы проводить прямые наблюдения TDE и сравнивать их с теоретическими моделями, чтобы связать наблюдения с физическими свойствами разорванных звезд и разорванных черных дыр.

Инновации в исследовании черных дыр

Команда физиков из Сиракузского университета, Массачусетского технологического института и Научного института космического телескопа использовала детальное моделирование, чтобы предсказать усиление и затемнение AT2018fyk, повторяющегося частичного TDE, означающего, что ядро ​​звезды с высокой плотностью избежало гравитационного взаимодействия с СМЧД, что позволило ей вращается вокруг черной дыры и разрывается не раз.

Модель предсказала, что AT2018fyk «затухнет» в августе 2023 года, и это предсказание подтвердилось, когда источник исчез прошлым летом, что свидетельствует о том, что их модель предлагает новый способ исследования физики черных дыр. Их результаты были опубликованы в журнале Nature. тот Письма в астрофизическом журнале.

Источник высокой энергии

Благодаря невероятно подробным галактическим исследованиям ученые наблюдают больше появляющихся и исчезающих источников света, чем когда-либо прежде. Исследования сканируют целые полушария в поисках внезапного прояснения или затемнения источников, что говорит исследователям о том, что что-то изменилось. В отличие от телескопа в вашей гостиной, который может фокусировать только видимый свет, такие телескопы, как «Чандра», могут обнаруживать источники света в так называемом рентгеновском спектре, испускаемом материей, нагретой в миллионы градусов.

Видимый свет и рентгеновские лучи являются формами электромагнитного излучения, но рентгеновские лучи имеют более короткие длины волн и большую энергию. Подобно тому, как ваша плита становится «раскаленной» после того, как вы ее включаете, газ, из которого состоит диск, «светится» при разных температурах, при этом самый горячий материал находится ближе всего к черной дыре. Однако вместо того, чтобы излучать свою энергию на оптических длинах волн, видимых глазом, более горячий газ в аккреционном диске излучает в рентгеновском спектре. Это те же самые рентгеновские лучи, которые врачи используют для получения изображений ваших костей, которые могут проходить через мягкие ткани, и из-за этой относительной прозрачности детекторы, используемые рентгеновскими телескопами НАСА, специально разработаны для обнаружения этого высокоэнергетического излучения.

Повторное выступление

В январе 2023 года группа физиков, в том числе Эрик Кофлин, профессор кафедры физики Сиракузского университета, и Дирадж Р. «Д.Дж. Бэшем, научный сотрудник Массачусетского технологического института, и Томас Виверс, научный сотрудник Научного института космического телескопа, написали статью в Письма в астрофизическом журнале Эта группа предложила подробную модель частичного рецидива TDE. Их результаты были первыми, которые нанесли на карту орбиту входа звезды вокруг сверхмассивной черной дыры, открыв новую информацию об одной из самых экстремальных сред во Вселенной.

Команда основала свое исследование на феномене TDE, известном как AT2018fyk (AT означает «переходные астрофизические явления»), где было высказано предположение, что звезда была захвачена сверхмассивной черной дырой посредством процесса обмена, известного как «захват гребня». Первоначально одна из двух звезд была частью двойной системы (две звезды вращались вокруг друг друга под действием взаимной гравитации), и предполагалось, что одна звезда была захвачена гравитационным полем черной дыры, а другая (незахваченная) звезда была выброшена из нее. центра Галактики со скоростями, близкими к ~ 1000 км/с.

Однажды связанная со сверхмассивной черной дырой, звезда, питающая излучение AT2018fyk, неоднократно лишается своей внешней оболочки каждый раз, когда проходит через максимальное приближение к черной дыре. Очищенные внешние слои звезды образуют яркий аккреционный диск, который исследователи могут изучать с помощью рентгеновских и ультрафиолетовых/оптических телескопов, отслеживающих свет от далеких галактик.

Хотя TDE обычно являются «однократными», поскольку интенсивное гравитационное поле сверхмассивной черной дыры разрушает звезду, а это означает, что сверхмассивная черная дыра снова исчезает во тьме после вспышки аккреции, AT2018fyk предоставил уникальную возможность исследовать повторяющийся частичный TDE.

Исследовательская группа использовала три телескопа для первоначальных и последующих открытий: SWIFT и Chandra, которыми управляет НАСА, и XMM-Newton, европейская миссия. Впервые обнаруженная в 2018 году, AT2018fyk находится на расстоянии около 860 миллионов световых лет от нас, а это означает, что из-за времени, которое требуется свету для путешествия, это произошло в «реальном времени» около 860 миллионов лет назад.

Команда использовала детальные модели, чтобы предсказать, что источник света внезапно исчезнет примерно в августе 2023 года, а затем снова станет ярче, когда в 2025 году на черной дыре скопится вновь удаленная материя.

Исследование будущего: ожидания и последствия

Подтверждая точность своей модели, команда сообщила об уменьшении потока рентгеновского излучения в течение двух месяцев, начиная с 14 августа 2023 года. Это внезапное изменение можно интерпретировать как второе прекращение излучения.

«Закрытие наблюдаемого излучения показывает, что наша модель и предположения жизнеспособны, и указывает на то, что мы действительно видим звезду, медленно поглощаемую далекой, чрезвычайно массивной черной дырой», — говорит Кофлин. «В нашей прошлогодней статье мы использовали ограничения, связанные с первоначальным всплеском, затуханием и повторным увеличением яркости, чтобы предсказать, что AT2018fyk должен продемонстрировать внезапное и быстрое затухание в августе 2023 года. если Звезда пережила второе столкновение, которое привело ко второй вспышке.

Тот факт, что система продемонстрировала ожидаемое закрытие, указывает на несколько различий между звездой и черной дырой:

• Звезда пережила вторую встречу с черной дырой;
• Скорость возвращения в черную дыру очищенных обломков тесно связана с яркостью AT2018fyk;
• Орбитальный период звезды вокруг черной дыры составляет около 1300 дней, или около 3,5 лет.

Второе обрезание указывает на то, что еще одно восстановление яркости должно произойти в период с мая по август 2025 года, и если звезда переживет второе столкновение, ожидается, что третье обрезание произойдет в период с января по июль 2027 года.

Что касается того, можем ли мы рассчитывать на появление нового блеска в 2025 году, Кофлин говорит, что открытие второго разреза означает, что звезда в последнее время лишилась большей массы, которая должна вернуться в черную дыру, чтобы произвести третью яркость.

«Единственная неопределенность — это пик излучения», — говорит он. — «Второй пик повторного просветления был намного слабее первого, и очень жаль, что третий всплеск мог быть слабее. Это единственное, что может ограничить обнаруживаемость. этого третьего взрыва».

Кофлин отмечает, что эта модель представляет собой новый захватывающий способ изучения частоты чрезвычайно редких частичных TDE, которые, как полагают, происходят один раз в миллион лет в данной галактике. Пока, по его словам, ученые столкнулись только с четырьмя или пятью системами, демонстрирующими такое поведение.

«С появлением улучшенной технологии обнаружения, которая обнаруживает более частые частичные TDE, мы ожидаем, что эта модель станет важным инструментом для ученых в выявлении этих открытий», — говорит он.

Ссылка: «Возможное второе отключение AT2018fyk: обновленный орбитальный календарь выжившей звезды в рамках модели повторяющегося частичного приливного разрушения», авторы Дирадж Башам, Э.Р. Кофлин и М. Гулло и Т. Уиверс, Си Джей Никсон и Джейсон Т. Хинкль и А. Бандопадьяй, 14 августа 2024 г., Письма в астрофизическом журнале.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad57b3