Enthüllen Sie das Geheimnis der Gezeitenstörungen

Supermassive Schwarze Löcher stören oder zerstören nahegelegene Sterne, was zu Gezeitenstörungen (TDEs) führt. Beobachtungen von polarisiertem Licht von TDEs haben nun wichtige Details über die beteiligten Prozesse enthüllt.

Das Universum ist ein gewalttätiger Ort, daher kann das Leben eines Sterns hier verkürzt werden. Dies geschieht, wenn sich ein Stern in einer „schlechten“ Nachbarschaft befindet, insbesondere in der Nähe eines massereichen Sternhaufens Schwarzes Loch.

Diese Schwarzen Löcher, deren Masse millionen- oder sogar milliardenfach größer ist als die unserer Sonne, befinden sich normalerweise in den Zentren ruhiger Galaxien. Während sich der Stern vom Schwarzen Loch entfernt, erfährt er eine nach oben gerichtete Anziehungskraft des supermassereichen Schwarzen Lochs, die schließlich die Kräfte überwindet, die den Stern intakt halten. Dies führt dazu, dass der Stern gestört oder zerstört wird, ein Ereignis, das als Tidal Disruption Event (TDE) bezeichnet wird.

„Nachdem der Stern zerplatzt ist, bildet sein Gas eine Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch. Helle Ausbrüche aus der Scheibe können bei fast allen Wellenlängen beobachtet werden, insbesondere mit Teleskopen und Satelliten, die Röntgenstrahlen erfassen“, sagt der Postdoktorand Yannis Lioudakis von der Universität Turku und dem Finnischen Zentrum für Astronomie. ESO (Vinca).

Bis vor kurzem wussten nur wenige Forscher von TDE, da es nicht viele Experimente gab, mit denen es nachgewiesen werden konnte. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler jedoch Instrumente entwickelt, um mehr TDE zu überwachen. Interessanterweise, aber vielleicht nicht überraschend, haben diese Beobachtungen zu neuen Rätseln geführt, die Forscher derzeit untersuchen.

„Beobachtungen aus groß angelegten Experimenten mit optischen Teleskopen haben gezeigt, dass viele TDEs keine Röntgenstrahlung erzeugen, obwohl Ausbrüche sichtbaren Lichts deutlich erkannt werden können. Dieser Befund widerspricht unserem grundlegenden Verständnis der Entwicklung der in TDEs gestörten Sternmaterie“, bemerkt Liodakis.

Bei einer Gezeitenstörung bewegt sich ein Stern so nahe an ein supermassereiches Schwarzes Loch heran, dass die Anziehungskraft des Schwarzen Lochs den Stern verbiegt, bis er zerstört wird (Bild 1). Interstellare Materie des zerstörten Sterns bildet einen elliptischen Strom um das Schwarze Loch (Bild 2). Um das Schwarze Loch bilden sich Gezeitenschocks, wenn das Gas auf seinem Rückweg, nachdem es das Schwarze Loch umkreist hat, auf sich selbst trifft (Bild 3). Gezeitenschocks erzeugen helle Ausbrüche polarisierten Lichts, die bei optischen und ultravioletten Wellenlängen beobachtet werden können. Mit der Zeit bildet das Gas des zerstörten Sterns eine Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch (Bild 4), während es langsam in das Schwarze Loch hineingezogen wird. Hinweis: Die Bildgröße ist nicht korrekt. Bildnachweis: Jenny Gurmaninen

Eine in der Zeitschrift veröffentlichte Studie Wissenschaften Ein internationales Astronomenteam unter der Leitung des finnischen Zentrums für Astronomie mit der ESO vermutet, dass das polarisierte Licht des TDE der Schlüssel zur Lösung dieses Rätsels sein könnte.

Anstatt eine helle Akkretionsscheibe aus Röntgenstrahlen um das Schwarze Loch herum zu bilden, könnte der in vielen TDEs beobachtete Ausbruch im optischen und ultravioletten Licht von Gezeitenschocks herrühren. Diese Erschütterungen entstehen weit entfernt vom Schwarzen Loch, wenn das Gas des zerstörten Sterns auf seinem Rückweg, nachdem es das Schwarze Loch umkreist hat, auf sich selbst trifft. Die helle Röntgenakkretionsscheibe würde sich später bei diesen Ereignissen bilden.

„Die Polarisation von Licht kann einzigartige Informationen über grundlegende Prozesse in astrophysikalischen Systemen liefern. Das polarisierte Licht, das wir vom TDE gemessen haben, kann nur durch diese Gezeitenschocks erklärt werden“, sagt Lioudakis, Hauptautor der Studie.

Polarisiertes Licht hat Forschern geholfen, die Zerstörung von Sternen zu verstehen

Das Team erhielt Ende 2020 vom Gaia-Satelliten eine öffentliche Warnung über ein vorübergehendes nukleares Ereignis in einer nahegelegenen Galaxie mit der Bezeichnung AT 2020mot. Anschließend beobachteten die Forscher AT 2020mot in einem breiten Wellenlängenbereich, einschließlich optischer Polarisations- und Spektroskopiebeobachtungen, die am Scandinavian Optical Telescope (NOT) der Universität Turku durchgeführt wurden. Die bei NOT gemachten Beobachtungen waren besonders hilfreich, um diese Entdeckung zu ermöglichen. Darüber hinaus wurden im Rahmen eines beobachtenden Astronomiekurses für Oberstufenschüler Polarisationsbeobachtungen gemacht.

„Das Scandinavian Optical Telescope und das Polarimeter, das wir in der Studie verwenden, waren maßgeblich an unseren Bemühungen beteiligt, supermassive Schwarze Löcher und ihre Umgebung zu verstehen“, sagt die Doktorandin Jenny Jormaninen von FINCA und der Universität Turku, die die Polarisationsbeobachtungen und -analysen mit NOT leitete.

Die Forscher fanden heraus, dass das optische Licht von AT 2020mot stark polarisiert war und sich im Laufe der Zeit veränderte. Trotz vieler Versuche konnten weder Radio- noch Röntgenteleskope die Strahlung des Ereignisses vor, während oder sogar Monate nach dem Höhepunkt des Ausbruchs nachweisen.

„Als wir sahen, wie polarisiert AT2020mot war, dachten wir sofort an einen Jet, der aus einem Schwarzen Loch herausschießt, wie wir es oft in der Nähe von supermassereichen Schwarzen Löchern beobachten, die umgebendes Gas ansammeln. Es wurde jedoch kein Jet gefunden“, sagt Elena Lindfors, wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Universität Turku und Fenca.

Das Astronomenteam erkannte, dass die Daten gut mit einem Szenario übereinstimmten, in dem ein Strom interstellaren Gases mit sich selbst kollidiert und nahe der Mitte und an der Vorderseite seiner Umlaufbahn um das Schwarze Loch Beulen bildet. Die Stöße verstärken dann das Magnetfeld und ordnen es in den Sternstrom ein, der auf natürliche Weise zu stark polarisiertem Licht führt. Der Grad der optischen Polarisation war zu hoch, um von den meisten Modellen erklärt zu werden, und die Tatsache, dass sie sich im Laufe der Zeit veränderte, machte es noch schwieriger.

„Alle Modelle, die wir uns angesehen haben, konnten die Beobachtungen nicht erklären, mit Ausnahme des Gezeitenschockmodells“, bemerkt Kari Kollionen, die zum Zeitpunkt der Beobachtungen Astronomin bei FINCA war und jetzt an der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie (NTNU) arbeitet.

Die Forscher werden das von den TDEs ausgehende polarisierte Licht weiterhin überwachen und möglicherweise bald mehr darüber herausfinden, was nach dem Absturz eines Sterns passiert.

Referenz: „Optische Polarisation durch Stellar Stream Shock Collision in a Tidal Disturbance Event“ von I.A. Leodakis, KII Koljonen, D. Blinov, E. Lindfors, KD Alexander, T. Hovatta, M. Berton, A. Hajela, J. Jormanainen, K. Kouroumpatzakis, N. Mandarakas und K.
DOI: 10.1126/science.abj9570