Co się dzieje gdy czarna dziura pożera gwiazdę?

W kwietniu dwa tysiące dwudziestego trzeciego roku, grupa astronomów z Massachusetts Institute of Technology natknęła się na odkrycie, które może zrewolucjonizować nasze postrzeganie kosmicznych kolosów, jakimi są czarne dziury. Ich badania dotyczyły procesu, który można by opisać jako „pożeranie” gwiazdy przez czarną dziurę. W ich publikacji wyróżniają się trzy kluczowe elementy, które czynią to odkrycie wyjątkowym. Ale co to za elementy i dlaczego są tak istotne? Już za chwilę to wyjaśnimy!

Zjawiska, w których czarna dziura rozrywa gwiazdę, nie są takie częste, jak mogłoby się wydawać. Astronomowie znają obecnie ponad sto takich przypadków. Szacuje się, że takie wydarzenie ma miejsce raz na dziesięć tysięcy lat dla każdej konkretnej galaktyki.

Wyobraź sobie, że jesteś świadkiem takiego zjawiska – centrum galaktyki rozświetla się błyskiem, który naukowcy nazywają zdarzeniem rozerwania pływowego, czyli Tidal Disruption Event, w skrócie TDE. W skali całego obserwowanego Wszechświata, gdzie mamy do czynienia z miliardami galaktyk, oznacza to, że TDE mogą występować znacznie częściej. To jak kosmiczne fajerwerki, które zdarzają się co chwilę!

Czym jest TDE? To zjawisko, które zachodzi, gdy obiekt, taki jak gwiazda, zbliża się do supermasywnej czarnej dziury na tyle blisko, że siły pływowe przewyższają jej własną siłę grawitacji. W rezultacie gwiazda jest rozrywana. Część jej materii zostaje wyrzucona w przestrzeń kosmiczną, a część jest pochłaniana przez czarną dziurę. Proces ten prowadzi do emisji intensywnego promieniowania, zarówno w zakresie światła widzialnego, jak i rentgenowskiego, które można zaobserwować z Ziemi. To jakbyś patrzył na kosmiczne sztuczne ognie, które rozświetlają ciemności kosmosu.

Patronite

Zostań Patronem Astrofazy! Pomóż rozwijać projekt i zyskaj dostęp do bonusowych treści!

Zobacz szczegóły!

Pierwsza rzecz, która rzuca się w oczy w tym odkryciu, to odległość. To konkretnie TDE zostało zaobserwowane w galaktyce NGC 7392, która jest spiralną galaktyką z poprzeczką, położoną w konstelacji Wieloryba. Oddalona od nas o sto trzydzieści siedem milionów lat świetlnych, NGC 7392 jest miejscem najbliższego nam zaobserwowanego zdarzenia TDE. Ta galaktyka, choć odległa, jest dostatecznie blisko, abyśmy mogli dokładnie badać zjawiska, które w niej zachodzą.

Następne dwie rzeczy, które wyróżniają to badanie na tle innych, są ze sobą powiązane. Po pierwsze, zdarzenie to obserwowano po raz pierwszy w zakresie fal podczerwonych. Po drugie, odkrycie to nastąpiło niejako przypadkiem, co dodaje mu dodatkowego uroku. Zamiast celowego poszukiwania TDE, naukowcy natknęli się na nie podczas przeglądania danych obserwacyjnych w poszukiwaniu ogólnych źródeł zdarzeń przemijających.

Doktor Christos Panagiotou, i jego koledzy z zespołu badawczego, nie poszukiwali TDE. Ich celem było znalezienie śladów ogólnych źródeł zdarzeń przemijających w danych obserwacyjnych. Zdarzenia przemijające to takie, które trwają od kilku milisekund do kilku tygodni, a nawet lat. Przykładami takich są wybuchy supernowych, rozbłyski gamma, rozerwania pływowe, czy zjawiska mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Używając narzędzia opracowanego przez doktora Kishalaya De, zespół przeglądał archiwalne dane zebrane w ramach programu NEOWISE NASA.

NEOWISE to kosmiczny teleskop, wystrzelony czternastego grudnia dwa tysiące dziewiątego roku, umieszczony na kołowej orbicie polarnej na wysokości pięciuset dwudziestu pięciu kilometrów.

Początkowo jako część misji Wide-field Infrared Survey Explorer – skrótowo WISE. Jego zadaniem było skanowanie całego nieba w podczerwieni – czym zajmowały się cztery detektory pracujące na różnych długościach tych fal – i zbieranie danych na temat galaktyk, asteroid, gwiazd i innych obiektów kosmicznych. W październiku dwa tysiące dziesiątego roku wyczerpał się czynnik chłodzący instrumenty, a główny cel misji został osiągnięty. Ponieważ dwa z czterech detektorów mogły nadal pracować, kierownictwo misji podjęło decyzję o uruchomieniu programu NEOWISE – od tego momentu głównym zadaniem teleskopu było poszukiwanie obiektów bliskich Ziemi. Pierwszego lutego dwa tysiące jedenastego roku teleskop został uśpiony na ponad dwa lata, jego pracę wznowiono we wrześniu dwa tysiące trzynastego roku i działa on do dziś. W trakcie trwania misji WISE i NEOWISE odkryto ponad trzydzieści trzy tysiące planetoid pasa głównego, ponad sto trzydzieści obiektów NEO i dwadzieścia komet – w tym tę słynną, widoczną gołym okiem, kometę C/2020 F3.

Najnowsze filmy

Ale wracając do zespołu z MIT. Teleskop widzi całe niebo, więc zarówno odległe obiekty, jak i te pod kątem, są przeglądane w jego archiwach. Zespół doktora Panagiotou, analizując informacje zebrane dla galaktyki NGC 7392, odkrył jasny błysk w obserwacjach z końca 2014 roku. W kolejnych danych to źródło stawało się coraz jaśniejsze, aby osiągnąć szczyt jasności w 2015 roku, a następnie zaczęło blaknąć i zniknęło.

Astronomowie zastanawiali się: Co to było? I aby odpowiedzieć na to pytanie, musieli przeanalizować między innymi czas trwania zjawiska i jego jasność oraz porównać rzeczywiste obserwacje z modelami astrofizycznymi. Początkowe podejrzenia padły na supernową, która pojawia się nagle i zanika w podobnych skalach czasowych, ale jak zauważył Christos Panagiotou, supernowe nie są tak jasne i nie uwalniają tyle energii, ile zaobserwowano. Wykluczając inne możliwości, w połączeniu z krzywą jasności i ewolucją w czasie, doszli do wniosku, że to, co widzieli, najprawdopodobniej było TDE. Nowo odkryty rozbłysk otrzymał oznaczenie – WTP14adbjsh.

Zespół badawczy zdecydował się przyjrzeć bliżej galaktyce, w której zaobserwowano TDE. Korzystając z danych zebranych przez teleskopy naziemne i kosmiczne, które obserwowały fragment nieba z galaktyką NGC 7392 na różnych długościach fal – od podczerwieni, przez optyczne, po rentgenowskie – doszli do kilku wniosków. Oszacowano, że centralna czarna dziura tej galaktyki jest około trzydzieści milionów razy masywniejsza od Słońca i około dziesięć razy masywniejsza od Sagittariusa A* – supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w sercu Drogi Mlecznej. Odkryto, że jest to galaktyka gwiazdotwórcza, zaliczana do klasy galaktyk „niebieskich”, gdzie procesy tworzenia nowych gwiazd są intensywne – to najczęściej występujący typ galaktyk we wszechświecie. WTP14adbjsh nie wyróżniło się w danych optycznych i rentgenowskich, ale o tym opowiemy za chwilę.

Niebieska galaktyka? Tak – Klasyfikacja galaktyk na podstawie kolorów jest jednym z podejść stosowanych w astronomii do kategoryzowania tych kosmicznych struktur. Kolor galaktyki jest bezpośrednio związany z jej populacją gwiazd i tempem tworzenia nowych gwiazd, co pozwala na wyciągnięcie wniosków na temat jej historii i ewolucji.

Niebieskie galaktyki to takie, w których występują intensywne procesy gwiazdotwórcze. Młode, gorące gwiazdy emitują więcej światła niebieskiego, co nadaje tym galaktykom niebieski kolor. Są one zazwyczaj galaktykami spiralnymi lub nieregularnymi, które zawierają dużo gazu i pyłu.

Czerwone galaktyki to miejsca, gdzie procesy tworzenia gwiazd dobiegły końca. Dominują w nich starsze, czerwone gwiazdy. Zazwyczaj są to galaktyki eliptyczne lub sferoidalne, które nie mają wystarczającej ilości gazu i pyłu niezbędnego do tworzenia nowych gwiazd.

Zielone galaktyki to coś na kształt obiektów przejściowych. Procesy tworzenia gwiazd w nich zwolniły, ale jeszcze nie zakończyły się całkowicie. To najrzadszy typ galaktyk, z jakim mamy do czynienia.

Astronomowie mają na swoim koncie odkrycie około setki zjawisk TDE.

Większość z nich została wykryta w zakresie światła widzialnego i promieniowania rentgenowskiego, głównie w „zielonych” galaktykach. Naukowcy mieli problem z wyjaśnieniem tych odkryć, ponieważ według ich założeń, to właśnie w aktywnych galaktykach powinno być więcej materii opadającej na czarne dziury, a zatem to z nich powinna pochodzić większość emisji flar powstałych w wyniku zdarzeń rozerwania pływowego.

Wszystko zaczęło się wyjaśniać, gdy przypadkowo odkryto WTP14adbjsh – zjawisko doskonale widoczne w podczerwieni i praktycznie niewidoczne w pozostałych długościach fal. Nie dlatego, że nie emitowało promieniowania w innych zakresach, ale prawdopodobnie dlatego, że było ono zasłonięte. „Niebieskie” galaktyki, oprócz tworzenia nowych gwiazd, produkują także znaczne ilości gazów i pyłów, zwłaszcza w pobliżu swojego jądra. Ta materia jest nieprzenikalna dla światła widzialnego, promieniowania rentgenowskiego i ultrafioletowego. To wyjaśnia, dlaczego zjawiska TDE, które zazwyczaj poszukiwane są za pomocą konwencjonalnych metod optycznych, do tej pory były rzadko odnajdywane w aktywnych galaktykach.

Zespół badawczy zauważył, że odkrycie tak bliskiego zjawiska TDE sugeruje istnienie dużej populacji tych zdarzeń, które mogły umknąć uwadze przy użyciu tradycyjnych metod.

Panagiotou podkreślił konieczność poszukiwania tych zdarzeń w podczerwieni, aby uzyskać pełny obraz czarnych dziur i ich macierzystych galaktyk. Suvi Gezari, przewodniczący personelu naukowego w Space Telescope Science Institute w Maryland – który nie brał udziału w tym badaniu – zauważył, że fakt, iż badania optyczne i rentgenowskie przegapiły jasne TDE tak blisko nas, jest bardzo pouczający. Według Gezariego, badania te dają nam tylko częściowy obraz całkowitej populacji zdarzeń rozerwania pływowego. Skuteczne wykorzystanie badań w podczerwieni do wykrywania echa materii zasłaniającej TDE ujawniło, że istnieje populacja tych zjawisk w galaktykach bogatych w tworzące gwiazdy substancje, które do tej pory zostały przeoczone.

To odkrycie rzuca nowe światło na znaczenie badań w podczerwieni w naukach kosmicznych. Wykorzystanie tej techniki może odkryć przed nami wiele nowych, fascynujących zjawisk, które do tej pory mogły pozostać niewidoczne dla tradycyjnych metod obserwacyjnych. W erze, gdy nasze zrozumienie Wszechświata nieustannie się poszerza, każde nowe narzędzie i technika, które pozwalają nam lepiej zrozumieć kosmos, są bezcenne. W końcu, to nie tylko odkrywanie nowych światów, ale także odkrywanie nowych sposobów patrzenia na te, które już znamy.