Astronomer upptäcker 18 svarta hål som slukar närliggande stjärnor | MIT Nyheter

By | January 31, 2024

Stjärnförstörande svarta hål finns överallt på himlen om du vet hur man letar efter dem. Det är ett meddelande från en ny studie av MIT-forskare, som visas i dag i tidskriften Astrofysisk dagbok.

Studiens författare rapporterar upptäckten av 18 nya tidvattenstörningshändelser (TDE), extrema fall där en närliggande stjärna tidvatten dras in i ett svart hål och slits isär. När det svarta hålet matas ut, avger det en enorm energiskur över det elektromagnetiska spektrumet.

Astronomer har upptäckt tidigare tidvattenstörningar genom att leta efter karakteristiska skurar i de optiska banden och röntgenbanden. Hittills har dessa sökningar avslöjat ett dussintal stjärnförstörelsehändelser i det närliggande universum. MIT-teamets nya TDE:er mer än fördubblar katalogen av kända TDE:er i universum.

Forskarna upptäckte dessa tidigare “dolda” händelser genom att titta i ett okonventionellt band: det infraröda. Förutom att sända ut optiska och röntgenskurar kan TDE generera infraröd strålning, särskilt i “dammiga” galaxer, där ett centralt svart hål är omgivet av galaktiskt skräp. Damm från dessa galaxer absorberar och skymmer vanligtvis optiskt ljus och röntgenljus, såväl som alla tecken på TDE i dessa band. Under processen värms även pulvret upp, vilket producerar detekterbar infraröd strålning. Teamet fann att infraröda utsläpp därför kan fungera som en signal för tidvattenstörningar.

Genom att titta på det infraröda bandet upptäckte MIT-teamet många fler TDE i galaxer där dessa typer av händelser tidigare var gömda. De 18 nya händelserna inträffade i olika typer av galaxer, utspridda över himlen.

“De flesta av dessa källor förekommer inte i optiska band”, säger huvudförfattaren Megan Masterson, doktorand vid MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. “Om du vill förstå TDEs som helhet och använda dem för att undersöka demografin för supermassiva svarta hål, måste du titta i det infraröda bandet.”

Andra MIT-författare inkluderar Kishalay De, Christos Panagiotou, Anna-Christina Eilers, Danielle Frostig och Robert Simcoe, och MIT biträdande professor i fysik Erin Kara, tillsammans med medarbetare från flera institutioner, inklusive Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics i Tyskland.

Högsta värme

Teamet upptäckte nyligen den närmaste TDE hittills och sökte genom infraröda observationer. Upptäckten öppnade en ny infraröd-baserad rutt genom vilken astronomer kan söka efter aktivt matande svarta hål.

Den första upptäckten fick gruppen att leta efter fler EDT. För sin nya studie tittade forskarna på arkivobservationer tagna av NEOWISE, den förnyade versionen av NASA:s Wide-Field Infrared Reconnaissance Explorer. Detta satellitteleskop lanserades 2009 och fortsatte efter en kort paus att skanna hela himlen efter infraröda “transienter” eller korta skurar.

Teamet undersökte arkiverade observationer från uppdraget med hjälp av en algoritm som utvecklats av medförfattaren Kishalay De. Denna algoritm väljer mönster i infraröda emissioner som är troliga tecken på en övergående explosion av infraröd strålning. Teamet jämförde sedan de markerade transienterna med en katalog över alla kända närliggande galaxer inom 200 megaparsek, eller 600 miljoner ljusår. De fann att de infraröda transienterna kunde spåras tillbaka till cirka 1 000 galaxer.

De expanderade sedan den infraröda skursignalen från varje galax för att avgöra om signalen kom från en annan källa än en TDE, till exempel en aktiv galaktisk kärna eller en supernova. Efter att ha uteslutit dessa möjligheter analyserade teamet de återstående signalerna och letade efter ett infrarött mönster som är karakteristiskt för en TDE, det vill säga en skarp topp följt av ett gradvis fall, vilket återspeglar en process genom vilken ett svart hål, sliter isär en stjärna, värmer plötsligt det omgivande dammet till cirka 1 000 kelvin innan det gradvis kyls ned.

Denna analys avslöjade 18 “rena” signaler om tidvattenstörningar. Forskarna undersökte galaxerna där varje TDE hittades och såg att de förekom i en mängd olika system, inklusive dammiga galaxer, över himlen.

“Om du tittade upp i himlen och såg ett gäng galaxer, skulle TDE förekomma representativt i dem alla”, säger Masteron. “Det är inte så att de bara förekommer i en typ av galax, som folk trodde baserat enbart på optiska och röntgensökningar.”

“Det är nu möjligt att titta igenom dammet och slutföra räkningen av närliggande TDE”, säger Edo Berger, professor i astronomi vid Harvard University, som inte var inblandad i studien. “En särskilt spännande aspekt av detta arbete är potentialen för uppföljningsstudier med stora infraröda skanningar, och jag är spänd på att se vilka upptäckter de kommer att producera.”

En pulverlösning

Teamets upptäckter hjälper till att lösa några viktiga frågor i studiet av tidvattenstörningsfenomen. Till exempel, innan detta arbete, hade astronomer främst sett TDE i en typ av galax: ett “post-starburst”-system som tidigare hade varit en stjärnbildningsfabrik, men som sedan har slagit sig ner. Denna typ av galax är sällsynt och astronomer var förbryllade över varför TDE verkade förekomma endast i dessa mer sällsynta system. Det visar sig att dessa system också är relativt dammfria, vilket gör de optiska emissionerna eller röntgenstrålningen från en TDE naturligt lättare att upptäcka.

Nu, genom att titta på det infraröda bandet, kan astronomer se TDE i många fler galaxer. Teamets nya resultat visar att svarta hål kan sluka stjärnor i en mängd olika galaxer, inte bara i system efter starburst.

Fynden löser också ett problem med “missing energy”. Fysiker har teoretiskt förutspått att TDE borde utstråla mer energi än vad som faktiskt har observerats. Men MIT-teamet säger nu att damm kan förklara diskrepansen. De fann att om en TDE inträffar i en dammig galax, kan dammet självt absorbera inte bara optiska strålar och röntgenstrålning utan även extrem ultraviolett strålning, i en mängd som motsvarar den förmodade “saknade energin”.

De 18 nya upptäckterna hjälper också astronomer att uppskatta hastigheten med vilken TDE förekommer i en given galax. När de jämför de nya TDE med tidigare upptäckter, uppskattar de att en galax upplever en tidvattenavbrottshändelse en gång vart 50 000:e år. Denna hastighet är närmare fysikers teoretiska förutsägelser. Med fler infraröda observationer hoppas teamet kunna lösa hastigheten för TDE och egenskaperna hos de svarta hålen som matar dem.

“Folk kom på väldigt exotiska lösningar på dessa pussel, och nu har vi kommit till den punkt där vi kan lösa dem alla”, säger Kara. “Detta ger oss förtroende för att vi inte behöver all denna exotiska fysik för att förklara vad vi ser. Och vi har bättre koll på mekaniken bakom hur en stjärna slits isär och slukas av ett svart hål. “Vi förstår de här systemen bättre.”

Denna forskning stöddes delvis av NASA.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *