Symulacje rzucają światło na niszczenie gwiazd przez supermasywne czarne dziury
Astronomowie z Monash University przyczynili się do przełomu w zrozumieniu dramatycznego losu gwiazd, które wędrują zbyt blisko supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk.
 |
| Wizja artystyczna ukazująca gwiazdę rozrywaną pływowo przez supermasywną czarną dziurę. Źródło: Monash University |
Dzięki innowacyjnym symulacjom, międzynarodowy zespół badawczy, kierowany przez profesora Daniela Price’a i byłego studenta Davida Liptaia ze Szkoły Fizyki i Astronomii, uchwycił złożony proces rozrywania i pochłaniania tych gwiazd przez czarne dziury, zapewniając nowe spojrzenie na tajemnicze emisje optyczne i UV obserwowane podczas tych katastrofalnych zdarzeń.
Jest to pierwsza spójna symulacja rozerwania gwiazdy przez oddziaływanie pływowe supermasywnej czarnej dziury, a następnie ewolucji powstałych w wyniku tego odłamków na przestrzeni roku – powiedział profesor Price.
Nasze symulacje zapewniają nowe spojrzenie na ostatnie chwile gwiazd w pobliżu supermasywnych czarnych dziur – dodał.
Poprzez uchwycenie pełnej ewolucji szczątków, możemy spróbować połączyć symulacje z rosnącą liczbą zaobserwowanych zdarzeń niszczenia gwiazd identyfikowanych za pomocą badań teleskopowych.
Wyniki badań, opublikowane w Astrophysical Journal Letters stanowią znaczący krok naprzód w astrofizyce, otwierając nowe możliwości badań nad zachowaniem materii w ekstremalnych polach grawitacyjnych oraz cyklami życia gwiazd i czarnych dziur.
Gdy gwiazda przechodzi zbyt blisko supermasywnej czarnej dziury, intensywne siły grawitacyjne rozrywają ją w procesie znanym jako rozerwanie pływowe (TDE). Szczątki gwiazd tworzą strumień, który ostatecznie zasila czarną dziurę. Szczątki gwiazdy tworzą wirujący dysk wokół czarnej dziury, który emituje intensywne promieniowanie w całym spektrum elektromagnetycznym. Jednak wiele aspektów TDE pozostaje słabo poznanych.
Nowe symulacje pokazują, że gruz ten tworzy asymetryczny bąbel wokół czarnej dziury, ponownie przetwarzając energię i wytwarzając obserwowane krzywe blasku z niższymi temperaturami, słabszymi jasnościami i prędkościami gazu rzędu 10 000 - 20 000 km/s.
Badania pomagają wyjaśnić kilka zagadkowych właściwości obserwowanych TDE – powiedział prof. Price. Dobrą analogią jest ludzkie ciało: kiedy jemy obiad, temperatura naszego ciała nie zmienia się zbytnio, ponieważ przetwarzamy energię z obiadu na fale podczerwone. W przypadku TDE jest podobnie, w większości przypadków nie widzimy żołądka czarnej dziury zjadającego gaz, ponieważ jest on stłumiony przez materię, która ponownie emituje fale optyczne. Nasze symulacje pokazują, w jaki sposób dochodzi do tego tłumienia.
Inne tajemnice wyjaśnione przez nowe symulacje obejmują:
- Dlaczego rozerwania pływowe są obserwowane na długościach fal optycznych, a nie rentgenowskich, gdzie promieniowanie rentgenowskie byłoby oczekiwane w przypadku akrecji na supermasywną czarną dziurę;
- Dlaczego obserwowane temperatury są zgodne z fotosferą gwiazdy, a nie oczekiwanym gorącym dyskiem akrecyjnym;
- Dlaczego obserwowane zjawiska rozrywania gwiazdy są słabsze, niż oczekiwano na podstawie modeli czarnych dziur wydajnie pożerających materię;
- Dlaczego widma obserwowanych zjawisk pokazują, że materia rozszerza się w naszym kierunku z prędkością kilku procent prędkości światła (10 000 - 20 000 km/s).
Zespół badawczy wykorzystał zaawansowany kod Phantom do symulacji hydrodynamiki cząstek wygładzonych, uwzględniając ogólne efekty relatywistyczne w celu dokładnej symulacji dynamiki gwiazd i szczątków.
Ten poziom szczegółowości jest kluczowy dla uchwycenia złożonych interakcji i procesów rozpraszania energii, które zachodzą podczas i po rozerwaniu gwiazdy.
Odkrycia potwierdzają teoretyczne istnienie otoczek Eddingtona, które działają jako warstwa przetwarzająca emitowaną energię, wyjaśniając emisję optyczną i ultrafioletową obserwowaną podczas TDE – powiedział prof. Price.
Model ten oferuje również potencjalne wyjaśnienie obserwowanych różnic w rentgenowskich i optycznych krzywych blasku z tych zdarzeń, sugerując, że różne kąty obserwacji mogą odpowiadać za te rozbieżności.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
