Un meccanismo cosmico viene decodificato negli schemi di alimentazione del buco nero

I buchi neri, precedentemente sfuggenti e invisibili, sono stati rilevati osservando eventi di disturbo mareale (TDE), in cui le stelle vengono violentemente distrutte, generando bagliori luminosi che possono essere osservati a grandi distanze.

Il drammatico oscuramento della sorgente luminosa conferma la sua posizione a circa 860 milioni di anni luce dalla Terra precisione Da un modello dettagliato sviluppato da un team di astrofisici della Syracuse University, Massachusetts Institute of TechnologyE Istituto di scienze del telescopio spaziale.

Comprendere i buchi neri attraverso i TDE

Telescopi potenti, ad es NASAGli osservatori a raggi X Hubble, James Webb e Chandra forniscono agli scienziati una finestra sullo spazio profondo per esplorare la fisica dei buchi neri. Mentre ci si potrebbe chiedere come si possa “vedere” un buco nero, Buco neroLe stelle che assorbono tutta la luce sono rese possibili dagli eventi di distruzione mareale (TDE), in cui una stella viene distrutta da un buco nero supermassiccio e può alimentare un “bagliore di accrescimento luminoso”. Con la loro luminosità migliaia di miliardi di volte più brillante di quella del Sole, gli eventi di accrescimento consentono agli astrofisici di studiare i buchi neri supermassicci (SMBH) a distanze cosmiche.

I TDE si verificano quando una stella viene violentemente lacerata dall’enorme campo gravitazionale di un buco nero. Quando la stella si rompe, i suoi resti si trasformano in un flusso di detriti che ricadono sul buco nero per formare un disco di materiale estremamente caldo e luminoso in orbita attorno al buco nero, chiamato disco di accrescimento. Gli scienziati possono studiare questo fenomeno per fare osservazioni dirette dei TDE e confrontarli con modelli teorici per collegare le osservazioni alle proprietà fisiche delle stelle dilaniate e dei buchi neri dilaniati.

Innovazioni nella ricerca sui buchi neri

Un team di fisici della Syracuse University, del MIT e dello Space Telescope Science Institute ha utilizzato una modellazione dettagliata per prevedere l’illuminazione e l’oscuramento di AT2018fyk, un TDE parziale ricorrente, il che significa che il nucleo ad alta densità della stella è sfuggito all’interazione gravitazionale con l’SMBH, permettendole di orbita attorno al buco nero. E strappando più di una volta.

Il modello prevedeva che AT2018fyk si sarebbe “oscurato” nell’agosto del 2023, una previsione che è stata confermata quando la sorgente è scomparsa l’estate scorsa, fornendo la prova che il loro modello offre un nuovo modo di esplorare la fisica dei buchi neri. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature. IL Lettere del diario astrofisico.

Fonte ad alta energia

Grazie a indagini galattiche incredibilmente dettagliate, gli scienziati stanno osservando più sorgenti luminose che vanno e vengono che mai. Le indagini scansionano interi emisferi alla ricerca di improvvisi schiarimenti o attenuazioni delle fonti, il che dice ai ricercatori che qualcosa è cambiato. A differenza del telescopio nel tuo soggiorno che può focalizzare solo la luce visibile, telescopi come Chandra possono rilevare fonti di luce in quello che viene definito lo spettro dei raggi X emessi dalla materia calda a milioni di gradi.

La luce visibile e i raggi X sono entrambe forme di radiazione elettromagnetica, ma i raggi X hanno lunghezze d’onda più corte e maggiore energia. Similmente al modo in cui il tuo fornello diventa “rovente” dopo averlo acceso, il gas che compone il disco “brilla” a temperature diverse, con il materiale più caldo situato più vicino al buco nero. Tuttavia, invece di irradiare la sua energia alle lunghezze d’onda ottiche visibili all’occhio, il gas più caldo nel disco di accrescimento emette nello spettro dei raggi X. Questi sono gli stessi raggi X che i medici usano per visualizzare le ossa che possono passare attraverso i tessuti molli e, a causa di questa relativa trasparenza, i rilevatori utilizzati dai telescopi a raggi X della NASA sono specificamente progettati per rilevare questa radiazione ad alta energia.

Prestazione ripetuta

Nel gennaio 2023, un team di fisici, tra cui Eric Coughlin, professore presso il Dipartimento di Fisica della Syracuse University, e Dheeraj R. “D.J.” Basham, uno scienziato ricercatore del MIT, e Thomas Wevers, un membro dello Space Telescope Science Institute, hanno scritto un articolo in Lettere del diario astrofisico Questo team ha proposto un modello dettagliato per la recidiva parziale della TDE. I loro risultati sono stati i primi a mappare l’orbita di rientro di una stella attorno a un buco nero supermassiccio, rivelando nuove informazioni su uno degli ambienti più estremi dell’universo.

Il team ha basato il proprio studio su un fenomeno TDE noto come AT2018fyk (AT sta per “fenomeni astrofisici transitori”), in cui è stato suggerito che una stella fosse stata catturata da un buco nero supermassiccio attraverso un processo di scambio noto come “cattura della cresta”. Originariamente, una delle due stelle faceva parte di un sistema binario (due stelle in orbita l’una attorno all’altra sotto la reciproca gravità), e si presumeva che una stella fosse stata catturata dal campo gravitazionale del buco nero mentre l’altra stella (non catturata) fosse stata espulsa dal buco nero. il centro galattico a velocità simili a ~ 1000 km/s.

Una volta legata al buco nero supermassiccio, la stella che alimenta l’emissione di AT2018fyk viene ripetutamente spogliata del suo guscio esterno ogni volta che passa nel punto di massimo avvicinamento al buco nero. Gli strati esterni spogliati della stella formano il luminoso disco di accrescimento, che i ricercatori possono studiare utilizzando telescopi a raggi X e ultravioletti/ottici che monitorano la luce proveniente da galassie distanti.

Mentre i TDE sono tipicamente “una tantum” perché l’intenso campo gravitazionale del buco nero supermassiccio distrugge la stella, il che significa che il buco nero supermassiccio svanisce nell’oscurità dopo il brillamento di accrescimento, AT2018fyk ha presentato un’opportunità unica per esplorare un TDE parziale ripetuto.

Il gruppo di ricerca ha utilizzato tre telescopi per effettuare le scoperte iniziali e quelle successive: SWIFT e Chandra, entrambi gestiti dalla NASA, e XMM-Newton, una missione europea. Avvistato per la prima volta nel 2018, AT2018fyk si trova a circa 860 milioni di anni luce di distanza, il che significa che, a causa del tempo impiegato dalla luce per viaggiare, è avvenuto in “tempo reale” circa 860 milioni di anni fa.

Il team ha utilizzato modelli dettagliati per prevedere che la fonte di luce scomparirebbe improvvisamente intorno all’agosto 2023, per poi illuminarsi di nuovo quando la materia appena rimossa si accumulerebbe sul buco nero nel 2025.

Esplorare il futuro: aspettative e implicazioni

Confermando l’accuratezza del loro modello, il team ha segnalato una diminuzione del flusso di raggi X in un periodo di due mesi, a partire dal 14 agosto 2023. Questo cambiamento improvviso può essere interpretato come un secondo arresto dell’emissione.

“Chiudere l’emissione osservata mostra che il nostro modello e le nostre ipotesi sono fattibili, e indica che stiamo effettivamente vedendo una stella che viene lentamente divorata da un buco nero distante ed estremamente massiccio”, dice Coughlin. “Nel nostro articolo dell’anno scorso, abbiamo utilizzato i vincoli dello scoppio iniziale, dello sbiadimento e del nuovo splendore per prevedere che AT2018fyk dovrebbe mostrare un improvviso e rapido sbiadimento nell’agosto del 2023. Se La stella è sopravvissuta al secondo incontro che ha portato alla seconda esplosione.

Il fatto che il sistema abbia mostrato questa chiusura prevista indica diverse distinzioni tra una stella e un buco nero:

• La stella è sopravvissuta al suo secondo incontro con il buco nero;
• Il tasso di detriti strappati che ritornano al buco nero è strettamente correlato alla luminosità di AT2018fyk;
• Il periodo orbitale della stella attorno al buco nero è di circa 1.300 giorni, ovvero circa 3,5 anni.

Il secondo taglio indica che un altro ri-luminamento dovrebbe verificarsi tra maggio e agosto 2025 e, se la stella sopravvive al secondo incontro, un terzo taglio dovrebbe verificarsi tra gennaio e luglio 2027.

Per quanto riguarda la possibilità di vedere una nuova luminosità nel 2025, Coughlin afferma che la scoperta del secondo taglio significa che la stella è stata recentemente privata di più massa, che deve tornare al buco nero per produrre una terza luminosità.

“L’unica incertezza è il picco dell’emissione”, dice. “Il secondo picco di riluminescenza era molto più debole del primo, ed è un peccato che il terzo burst avrebbe potuto essere più debole. Questa è l’unica cosa che potrebbe limitare la rilevabilità di questa terza esplosione.”

Coughlin sottolinea che questo modello rappresenta un nuovo modo entusiasmante per studiare la frequenza di TDE parziali estremamente rari, che si ritiene si verifichino una volta ogni milione di anni in una data galassia. Finora, dice, gli scienziati hanno incontrato solo quattro o cinque sistemi che mostrano questo comportamento.

“Con l’avvento di una migliore tecnologia di rilevamento in grado di rilevare TDE parziali più frequenti, ci aspettiamo che questo modello diventi uno strumento essenziale per gli scienziati nell’identificazione di queste scoperte”, afferma.

Riferimento: “Un possibile secondo arresto di AT2018fyk: un calendario orbitale aggiornato della stella sopravvissuta sotto il modello ricorrente di eventi di interruzione delle maree parziali” di Dheeraj Basham, E.R. Coughlin e M. Gullo e T. Weavers, C.J. Nixon e Jason T. Hinkle e A. Bandopadhyay, 14 agosto 2024, Lettere del diario astrofisico.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad57b3