Astronomen zien achttien zwarte gaten die nabijgelegen sterren opslokken

Astronomen zien achttien zwarte gaten die nabijgelegen sterren opslokken

Tijdstempel: 29 januari 2024 12:04 uur
Bronknooppunt: 3088799
29 januari 2024 (Nanowerk Nieuws) Sterrenvernietigende zwarte gaten zijn overal in de lucht te vinden, als je maar weet hoe je ze moet zoeken. Dat is een boodschap uit een nieuwe studie van MIT-wetenschappers, die verschijnt in de Astrophysical Journal (“A New Population of Mid-Infrared-Selected Tidal Disruption Events: Implications for Tidal Disruption Event Rates and Host Galaxy Properties”). De auteurs van het onderzoek rapporteren de ontdekking van 18 nieuwe getijdenverstoringsgebeurtenissen (TDE's) - extreme gevallen waarin een nabijgelegen ster getijdengetijde in een zwart gat wordt getrokken en aan flarden wordt gescheurd. Terwijl het zwarte gat feestviert, geeft het een enorme uitbarsting van energie af over het hele elektromagnetische spectrum. Astronomen hebben eerdere getijdenverstoringen gedetecteerd door te zoeken naar karakteristieke uitbarstingen in de optische en röntgenbanden. Tot nu toe hebben deze zoekopdrachten ongeveer een dozijn sterversnipperingsgebeurtenissen in het nabije heelal aan het licht gebracht. De nieuwe TDE's van het MIT-team verdubbelen meer dan de catalogus van bekende TDE's in het universum. getijdenverstoringen MIT-wetenschappers hebben 18 nieuwe getijdenverstoringsgebeurtenissen (TDE's) geïdentificeerd: extreme gevallen waarbij een nabijgelegen ster getijdengebeurtenissen in een zwart gat wordt getrokken en aan flarden wordt gescheurd. De detecties verdubbelen ruimschoots het aantal bekende TDE’s in het nabije heelal. (Met dank aan Megan Masterson, Erin Kara, et al.) De onderzoekers ontdekten deze voorheen ‘verborgen’ gebeurtenissen door in een onconventionele band te kijken: infrarood. Naast het afgeven van optische uitbarstingen en röntgenuitbarstingen kunnen TDE's ook infraroodstraling genereren, vooral in ‘stoffige’ sterrenstelsels, waar een centraal zwart gat omgeven is door galactisch puin. Het stof in deze sterrenstelsels absorbeert en verduistert normaal gesproken optisch licht en röntgenlicht, en elk teken van TDE's in deze banden. Daarbij warmt het stof ook op, waardoor infraroodstraling ontstaat die waarneembaar is. Het team ontdekte dat infraroodemissies daarom kunnen dienen als een teken van getijdenverstoringen. Door in de infraroodband te kijken, heeft het MIT-team nog veel meer TDE's opgepikt, in sterrenstelsels waar dergelijke gebeurtenissen voorheen verborgen waren. De 18 nieuwe gebeurtenissen vonden plaats in verschillende soorten sterrenstelsels, verspreid over de hemel. "Het merendeel van deze bronnen is niet zichtbaar in optische banden", zegt hoofdauteur Megan Masterson, een afgestudeerde student aan het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van MIT. "Als je TDE's als geheel wilt begrijpen en ze wilt gebruiken om de demografische gegevens van superzware zwarte gaten te onderzoeken, moet je in de infraroodband kijken." Andere MIT-auteurs zijn onder meer Kishalay De, Christos Panagiotou, Anna-Christina Eilers, Danielle Frostig en Robert Simcoe, en MIT-assistent-professor natuurkunde Erin Kara, samen met medewerkers van meerdere instellingen, waaronder het Max Planck Instituut voor Buitenaardse Fysica in Duitsland.

Hitte piek

Het team heeft onlangs de dichtstbijzijnde TDE tot nu toe ontdekt door te zoeken via infraroodwaarnemingen. De ontdekking opende een nieuwe, op infrarood gebaseerde route waarmee astronomen kunnen zoeken naar actief voedende zwarte gaten. Die eerste detectie spoorde de groep aan om naar meer TDE's te zoeken. Voor hun nieuwe studie zochten de onderzoekers naar archiefobservaties van NEOWISE – de vernieuwde versie van NASA’s Wide-field Infrared Survey Explorer. Deze satelliettelescoop werd in 2009 gelanceerd en is na een korte onderbreking de hele hemel blijven scannen op infrarode ‘transiënten’ of korte uitbarstingen. Het team bekeek de gearchiveerde waarnemingen van de missie met behulp van een algoritme ontwikkeld door co-auteur Kishalay De. Dit algoritme pikt patronen in infraroodstraling op die waarschijnlijk tekenen zijn van een voorbijgaande uitbarsting van infraroodstraling. Vervolgens vergeleek het team de gemarkeerde transiënten met een catalogus van alle bekende nabijgelegen sterrenstelsels binnen een straal van 200 megaparsec, oftewel 600 miljoen lichtjaar. Ze ontdekten dat infraroodtransiënten konden worden herleid tot ongeveer 1,000 sterrenstelsels. Vervolgens zoomden ze in op het signaal van de infrarooduitbarsting van elk sterrenstelsel om te bepalen of het signaal afkomstig was van een andere bron dan een TDE, zoals een actieve galactische kern of een supernova. Nadat deze mogelijkheden waren uitgesloten, analyseerde het team vervolgens de resterende signalen, op zoek naar een infraroodpatroon dat karakteristiek is voor een TDE – namelijk een scherpe piek gevolgd door een geleidelijke daling, die een proces weerspiegelt waarbij een zwart gat een ster, verwarmt het omringende stof plotseling tot ongeveer 1,000 Kelvin voordat het geleidelijk afkoelt. Deze analyse onthulde 18 ‘schone’ signalen van getijdenverstoringen. De onderzoekers onderzochten de sterrenstelsels waarin elke TDE werd gevonden en zagen dat ze in een reeks systemen voorkomen, waaronder stoffige sterrenstelsels, aan de hele hemel. “Als je naar de hemel zou kijken en een aantal sterrenstelsels zou zien, zouden de TDE’s in alle sterrenstelsels representatief voorkomen”, zegt Masteron. "Het is niet zo dat ze alleen in één type sterrenstelsel voorkomen, zoals mensen dachten op basis van optische en röntgenonderzoek." ‘Het is nu mogelijk om door het stof heen te kijken en de telling van nabijgelegen TDE’s te voltooien’, zegt Edo Berger, hoogleraar astronomie aan de Harvard University, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Een bijzonder opwindend aspect van dit werk is het potentieel van vervolgstudies met grote infraroodonderzoeken, en ik ben benieuwd welke ontdekkingen deze zullen opleveren."

Een stoffige oplossing

De ontdekkingen van het team helpen bij het oplossen van enkele belangrijke vragen in het onderzoek naar getijdenverstoringen. Voorafgaand aan dit werk hadden astronomen bijvoorbeeld vooral TDE’s gezien in één type sterrenstelsel: een ‘post-starburst’-systeem dat voorheen een stervormingsfabriek was, maar zich sindsdien heeft gevestigd. Dit type sterrenstelsel is zeldzaam, en astronomen waren verbaasd waarom TDE's alleen in deze zeldzamere systemen leken op te duiken. Toevallig zijn deze systemen ook relatief stofvrij, waardoor de optische of röntgenstraling van een TDE natuurlijk gemakkelijker te detecteren is. Door nu in de infraroodband te kijken, kunnen astronomen TDE’s in veel meer sterrenstelsels zien. De nieuwe resultaten van het team laten zien dat zwarte gaten sterren in een reeks sterrenstelsels kunnen verslinden, niet alleen in post-starburst-systemen. De bevindingen lossen ook een probleem van “ontbrekende energie” op. Natuurkundigen hebben theoretisch voorspeld dat TDE's meer energie zouden moeten uitstralen dan feitelijk is waargenomen. Maar het MIT-team zegt nu dat stof de discrepantie kan verklaren. Ze ontdekten dat als een TDE optreedt in een stoffig sterrenstelsel, het stof zelf niet alleen optische en röntgenstraling kan absorberen, maar ook extreme ultraviolette straling, in een hoeveelheid die gelijk is aan de veronderstelde ‘ontbrekende energie’. De 18 nieuwe detecties helpen astronomen ook bij het schatten van de snelheid waarmee TDE's in een bepaald sterrenstelsel voorkomen. Wanneer ze de nieuwe TDE's in verband brengen met eerdere detecties, schatten ze dat een sterrenstelsel eens in de 50,000 jaar een getijdenverstoring ervaart. Dit percentage komt dichter in de buurt van de theoretische voorspellingen van natuurkundigen. Met meer infraroodwaarnemingen hoopt het team de snelheid van TDE’s en de eigenschappen van de zwarte gaten die deze aandrijven, te achterhalen. "Mensen kwamen met zeer exotische oplossingen voor deze puzzels, en nu zijn we op het punt gekomen waarop we ze allemaal kunnen oplossen", zegt Kara. “Dit geeft ons het vertrouwen dat we al deze exotische natuurkunde niet nodig hebben om te verklaren wat we zien. En we hebben een beter inzicht in de mechanismen achter hoe een ster uit elkaar wordt gerukt en opgeslokt door een zwart gat. We begrijpen deze systemen beter.”

Tijdstempel:

Meer van Nanowerk