Astronomowie odkryli czarne dziury niszczące gwiazdy, ukryte w zakurzonych galaktykach
W przeciwieństwie do stale aktywnych galaktyk, czarne dziury zazwyczaj pozostają w stanie uśpienia i ujawniają swoją obecność tylko wtedy, gdy zdarzy się im pochłonąć napotkaną gwiazdę.
 |
| Wizja artystyczna Teleskopu Webba rejestrującego efekt pochłonięcia gwiazdy przez czarną dziurę w zapylonej galaktyce. Źródło: NRAO/AUI/NSF/NASA |
Astronomowie z MIT, Uniwersytetu Columbia i innych instytucji wykorzystali Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, aby zajrzeć przez pył pobliskich galaktyk i przyjrzeć się skutkom gwiezdnej uczty czarnej dziury.
W artykule opublikowanym 24 lipca 2025 roku w Astrophysical Journal Letters naukowcy donoszą, że po raz pierwszy Teleskop Webba zaobserwował kilka zjawisk rozerwania pływowego – przypadków, w których centralna czarna dziura galaktyki przyciąga pobliską gwiazdę i wywołuje siły pływowe, które rozrywają gwiazdę na strzępy, uwalniając przy tym ogromną ilość energii.
Od lat 90. XX wieku naukowcy zaobserwowali około 100 zjawisk rozerwania pływowego (TDE), głównie w postaci błysków rentgenowskich lub optycznych, które przelatują przez stosunkowo pozbawione pyłu galaktyki. Jednak, jak niedawno donieśli naukowcy z MIT, we Wszechświecie może występować o wiele więcej rozrywających gwiazdy zjawisk, które ukrywają się w bardziej zapylonych, osłoniętych gazem galaktykach.
W swoich poprzednich badaniach zespół odkrył, że większość promieniowania rentgenowskiego i światła optycznego emitowanego przez TDE może być zasłonięta przez pył galaktyczny, przez co pozostaje niewidoczna dla tradycyjnych teleskopów rentgenowskich i optycznych. Jednak ten sam rozbłysk światła może ogrzać otaczający pył i wygenerować nowy sygnał w postaci promieniowania podczerwonego.
Teraz ci sami naukowcy wykorzystali JWST – najpotężniejszy na świecie detektor podczerwieni – do zbadania sygnałów pochodzących z czterech zakurzonych galaktyk, w których podejrzewają wystąpienie zjawisk rozerwania pływowego. Wśród pyłu JWST wykrył wyraźne ślady akrecji czarnej dziury, czyli procesu, w którym materia, taka jak szczątki gwiazd, krąży wokół czarnej dziury i ostatecznie w nią wpada. Teleskop wykrył również wzorce, które znacznie różnią się od pyłu otaczającego aktywne galaktyki, gdzie centralna czarna dziura nieustannie przyciąga otaczającą ją materię.
Wszystkie obserwacje potwierdzają, że w każdej z czterech galaktyk rzeczywiście doszło do zjawiska rozrywania pływowego. Co więcej, naukowcy doszli do wniosku, że te cztery zdarzenia nie były wynikiem działania aktywnych czarnych dziur, ale raczej uśpionych, które wykazywały niewielką aktywność lub nie wykazywały jej wcale, dopóki nie pojawiała się gwiazda.
Nowe wyniki podkreślają potencjał JWST w zakresie szczegółowego badania ukrytych zjawisk rozrywania pływowego. Pomagają one również naukowcom w ujawnieniu kluczowych różnic w środowiskach wokół aktywnych i nieaktywnych czarnych dziur.
Są to pierwsze obserwacje JWST dotyczące zjawisk rozerwania pływowego i nie przypominają one niczego, co widzieliśmy dotychczas – powiedziała główna autorka artykułu, Megan Masterson, doktorantka w Instytucie Astrofizyki i Badań Kosmicznych Kavli przy MIT. Dowiedzieliśmy się, że zjawiska te są rzeczywiście napędzane przez akrecję czarnej dziury i nie przypominają środowisk wokół normalnych aktywnych czarnych dziur. Fakt, że możemy teraz badać, jak naprawdę wygląda środowisko uśpionej czarnej dziury, jest niezwykle ekscytujące.
Widząc światło
Nowe badania stanowią rozwinięcie wcześniejszych prac zespołu, w których wykorzystano inny detektor podczerwieni – misję NASA Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer (NEOWISE). Korzystając z algorytmu opracowanego przez współautora Kishalaya De z Columbia University, zespół przeszukał dane zebrane przez teleskop w ciągu dziesięciu lat, poszukując przejściowych sygnałów podczerwieni pochodzących z galaktyk, które w innym przypadku byłyby spokojne, a które mogłyby być sygnałami krótkofalowego przebudzenia czarnej dziury i pochłaniania przechodzącej gwiazdy. Poszukiwania te pozwoliły odkryć kilkanaście sygnałów, które grupa uznała za prawdopodobnie wywołane przez zjawisko rozerwania pływowego.
W ramach tych badań znaleźliśmy 12 źródeł, które wyglądają dokładnie jak TDE – powiedziała Masterson. Przedstawiliśmy wiele argumentów przemawiających za tym, że sygnały były bardzo energetyczne, a galaktyki nie wyglądały na aktywne wcześniej, więc sygnały musiały pochodzić z nagłego TDE. Jednak poza tymi drobnymi szczegółami nie było żadnych bezpośrednich dowodów.
Dzięki znacznie większej czułości JWST naukowcy mieli nadzieję wykryć kluczowe linie spektralne, czyli promieniowanie podczerwone o określonych długościach fal, które byłyby wyraźnymi śladami warunków związanych ze zjawiskiem rozerwania pływowego.
Dzięki NEOWISE nasze oczy widzą tylko światło czerwone lub niebieskie, natomiast dzięki JWST widzimy całą tęczę – powiedziała Masterson.
Sygnał autentyczny
W swojej nowej pracy grupa skupiła się na poszukiwaniu piku podczerwieni, który mógłby powstać wyłącznie w wyniku akrecji czarnej dziury – procesu, w którym materia jest przyciągana do czarnej dziury w okrążającym ją dysku gazowym. Dyski te wytwarzają ogromne ilości promieniowania, które jest tak intensywne, że może wyrzucać elektrony z poszczególnych atomów. W szczególności takie procesy akrecji mogą wyrzucać kilka elektronów z atomów neonu, a powstały jon może przejść w stan przejściowy, emitując promieniowanie podczerwone o bardzo specyficznej długości fali, którą JWST może wykryć.
Nie ma nic innego we Wszechświecie, co mogłoby wzbudzić ten gaz do takich energii, z wyjątkiem akrecji czarnej dziury – powiedziała Masterson.
Naukowcy poszukiwali tego jednoznacznego sygnału w czterech z 12 kandydatów do TDE, których wcześniej zidentyfikowali. Cztery sygnały obejmują: najbliższe dotychczas wykryte zjawisko rozerwania pływowego, zlokalizowane w galaktyce oddalonej o około 130 milionów lat świetlnych; TDE, które wykazuje również rozbłysk promieniowania rentgenowskiego; sygnał, który mógł zostać wywołany przez gaz krążący z niesamowicie dużą prędkością wokół centralnej czarnej dziury; oraz sygnał, który obejmował również błysk optyczny, który naukowcy wcześniej podejrzewali, że jest supernową, czyli zapadnięciem się umierającej gwiazdy, a nie zjawiskiem rozerwania pływowego.
Te cztery sygnały były najbliższe pewności, jaką mogliśmy uzyskać – powiedziała Masterson. Jednak dane z JWST pomogły nam ostatecznie stwierdzić, że są to autentyczne TDE.
Kiedy zespół skierował JWST w stronę galaktyk każdego z czterech sygnałów, w ramach programu zaprojektowanego przez De, zaobserwowano, że charakterystyczne linie spektralne pojawiły się we wszystkich czterech źródłach. Pomiary te potwierdziły, że akrecja czarnej dziury miała miejsce we wszystkich czterech galaktykach. Pozostało jednak pytanie: czy akrecja ta była zjawiskiem tymczasowym, wywołanym przez rozerwanie pływowe i czarną dziurę, która na krótko się obudziła, aby pożreć przelatującą gwiazdę? A może była to bardziej trwała cecha aktywnych czarnych dziur, które są zawsze aktywne? W tym drugim przypadku mniej prawdopodobne byłoby wystąpienie zjawiska rozerwania pływowego.
Aby rozróżnić te dwie możliwości, zespół wykorzystał dane z JWST do wykrycia innej długości fali promieniowania podczerwonego, które wskazuje na obecność krzemianów lub pyłu w galaktyce. Następnie sporządzono mapę tego pyłu w każdej z czterech galaktyk i porównano wzorce z wzorcami aktywnych galaktyk, o których wiadomo, że wokół centralnej czarnej dziury gromadzą skupiska pyłu w kształcie torusa. Masterson zauważyła, że wszystkie cztery źródła wykazywały bardzo różne wzory w porównaniu z typowymi galaktykami aktywnymi, co sugeruje, że czarna dziura w centrum każdej z galaktyk nie jest normalnie aktywna, ale uśpiona. Jeśli wokół takiej czarnej dziury powstał dysk akrecyjny, naukowcy doszli do wniosku, że musiało to być wynikiem zjawiska rozerwania pływowego.
Wszystkie te obserwacje wskazują, że jedyną możliwą przyczyną tych rozbłysków są TDE – stwierdziła Masterson.
Ona i jej współpracownicy planują odkryć wiele innych, dotychczas ukrytych zdarzeń związanych z rozpadaniem się gwiazd pod wpływem pływów grawitacyjnych, korzystając z teleskopów NEOWISE, JWST i innych teleskopów na podczerwień. Twierdzą oni, że przy wystarczającej liczbie wykrytych zdarzeń TDE mogą służyć one jako skuteczne sondy do badania właściwości czarnych dziur. Na przykład to, jaka część gwiazdy ulega rozpadowi oraz jak szybko jej szczątki są akreowane i pochłaniane, może ujawnić podstawowe właściwości czarnej dziury, takie jak jej masa i prędkość wirowania.
Rzeczywisty proces pochłaniania przez czarną dziurę całej tej materii gwiazdowej trwa bardzo długo – powiedziała Masterson. Nie jest to proces natychmiastowy. Miejmy nadzieję, że uda nam się zbadać, jak długo trwa ten proces i jak wygląda to środowisko. Nikt tego nie wie, ponieważ dopiero zaczęliśmy odkrywać i badać te zjawiska.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
Czytaj też:
