I fisici modellano con precisione i modelli di alimentazione del buco nero

Telescopi potenti come il telescopio Hubble della NASA, l’Osservatorio James Webb e l’Osservatorio a raggi X Chandra forniscono agli scienziati una finestra sullo spazio profondo per esplorare la fisica dei buchi neri. Mentre ci si potrebbe chiedere come si possa “vedere” un buco nero, famoso per assorbire tutta la luce, ciò è possibile attraverso gli eventi di disturbo mareale (TDE), in cui una stella viene distrutta da un buco nero supermassiccio e può alimentare un “accrescimento luminoso” fiammata.” Con migliaia di miliardi di miliardi di luminosità in più rispetto al Sole, gli eventi di accrescimento consentono agli astrofisici di studiare i buchi neri supermassicci (SMBH) a distanze cosmiche.

I TDE si verificano quando una stella viene violentemente lacerata dall’enorme campo gravitazionale di un buco nero. Quando la stella si rompe, i suoi resti si trasformano in un flusso di detriti che ricadono sul buco nero per formare un disco di materiale estremamente caldo e luminoso in orbita attorno al buco nero, chiamato disco di accrescimento. Gli scienziati possono studiare questo fenomeno per fare osservazioni dirette dei TDE e confrontarli con modelli teorici per collegare le osservazioni alle proprietà fisiche delle stelle dilaniate e dei buchi neri dilaniati.

Un team di fisici della Syracuse University, del Massachusetts Institute of Technology e dello Space Telescope Science Institute ha utilizzato una modellazione dettagliata per prevedere l’intensificazione e l’oscuramento di AT2018fyk, un evento parzialmente ricorrente che significa che il nucleo ad alta densità della stella è sfuggito all’interazione gravitazionale con la stella massiccia. buco nero, permettendogli di orbitare attorno al buco nero e rompersi più di una volta. Il modello prevedeva che AT2018fyk si sarebbe “oscurato” nell’agosto del 2023, una previsione che è stata confermata quando la sorgente si è oscurata la scorsa estate, fornendo la prova che il loro modello offre un nuovo modo di esplorare la fisica dei buchi neri. I loro risultati sono stati pubblicati in Lettere del diario astrofisico.

Fonte ad alta energia

Grazie a indagini galattiche incredibilmente dettagliate, gli scienziati stanno osservando più sorgenti luminose che vanno e vengono che mai. Le indagini scansionano interi emisferi alla ricerca di improvvisi schiarimenti o attenuazioni delle fonti, il che dice ai ricercatori che qualcosa è cambiato. A differenza del telescopio nel tuo soggiorno che può focalizzare solo la luce visibile, telescopi come Chandra possono rilevare fonti di luce in quello che viene definito lo spettro dei raggi X emessi dalla materia calda a milioni di gradi.

La luce visibile e i raggi X sono entrambe forme di radiazione elettromagnetica, ma i raggi X hanno lunghezze d’onda più corte e maggiore energia. Similmente al modo in cui il tuo fornello diventa “rovente” dopo averlo acceso, il gas che compone il disco “brilla” a temperature diverse, con il materiale più caldo situato più vicino al buco nero. Tuttavia, invece di irradiare la sua energia alle lunghezze d’onda ottiche visibili all’occhio, il gas più caldo nel disco di accrescimento emette nello spettro dei raggi X. Questi sono gli stessi raggi X che i medici usano per visualizzare le ossa che possono passare attraverso i tessuti molli e, a causa di questa relativa trasparenza, i rilevatori utilizzati dai telescopi a raggi X della NASA sono specificamente progettati per rilevare questa radiazione ad alta energia.

Prestazione ripetuta

Nel gennaio 2023, un team di fisici, tra cui Eric Coughlin, professore presso il Dipartimento di Fisica della Syracuse University, e Dheeraj R. “D.J.” Basham, uno scienziato ricercatore del MIT, e Thomas Wevers, un membro dello Space Telescope Science Institute, hanno scritto un articolo in Lettere del diario astrofisico che ha proposto un modello dettagliato per Ripetere il TDE parzialeI loro risultati sono stati i primi a mappare l’orbita di rientro di una stella attorno a un buco nero supermassiccio, rivelando nuove informazioni su uno degli ambienti più estremi dell’universo.

Il team ha basato il proprio studio su un fenomeno TDE noto come AT2018fyk (AT sta per “evento transitorio astrofisico”), in cui è stato suggerito che una stella fosse stata catturata da un buco nero supermassiccio attraverso un processo di scambio noto come “cattura della cresta”. Originariamente, una delle due stelle faceva parte di un sistema binario (due stelle in orbita l’una attorno all’altra sotto la reciproca gravità), e si presumeva che una stella fosse stata catturata dal campo gravitazionale del buco nero mentre l’altra stella (non catturata) fosse stata espulsa dal buco nero. il centro galattico a velocità simili a ~ 1000 km/s.

Una volta legata al buco nero supermassiccio, la stella che alimenta l’emissione di AT2018fyk viene ripetutamente spogliata del suo guscio esterno ogni volta che passa nel punto di massimo avvicinamento al buco nero. Gli strati esterni spogliati della stella formano il luminoso disco di accrescimento, che i ricercatori possono studiare utilizzando telescopi a raggi X e ultravioletti/ottici che monitorano la luce proveniente da galassie distanti.

Mentre i TDE sono tipicamente “una tantum” perché l’intenso campo gravitazionale del buco nero supermassiccio distrugge la stella, il che significa che il buco nero supermassiccio svanisce nell’oscurità dopo il brillamento di accrescimento, AT2018fyk ha presentato un’opportunità unica per esplorare un TDE parziale ripetuto.

Il gruppo di ricerca ha utilizzato tre telescopi per effettuare le scoperte iniziali e quelle successive: SWIFT e Chandra, entrambi gestiti dalla NASA, e XMM-Newton, una missione europea. AT2018fyk è stato osservato per la prima volta nel 2018, a circa 870 milioni di anni luce di distanza, il che significa che, a causa del tempo impiegato dalla luce per viaggiare, è avvenuto in “tempo reale” circa 870 milioni di anni fa.

Il team ha utilizzato modelli dettagliati per prevedere che la fonte di luce scomparirebbe improvvisamente intorno all’agosto 2023, per poi illuminarsi di nuovo quando la materia appena rimossa si accumulerebbe sul buco nero nel 2025.

Convalida del modello

Confermando l’accuratezza del loro modello, il team ha segnalato una diminuzione del flusso di raggi X in un periodo di due mesi, a partire dal 14 agosto 2023. Questo cambiamento improvviso può essere interpretato come un secondo arresto dell’emissione.

“La cessazione delle emissioni osservata mostra che il nostro modello e le nostre ipotesi sono fattibili e suggerisce che stiamo effettivamente assistendo a una stella che viene lentamente divorata da un buco nero distante ed estremamente massiccio”, afferma Coughlin. “Nella nostra ricerca dell’anno scorso, abbiamo utilizzato dei vincoli dall’esplosione iniziale, dall’oscuramento e dalla riluminescenza per prevedere che AT2018fyk dovrebbe mostrare un improvviso oscuramento”.

Il fatto che il sistema abbia mostrato questa chiusura prevista indica diverse distinzioni tra una stella e un buco nero:

• La stella è sopravvissuta al suo secondo incontro con il buco nero;
• Il tasso di detriti strappati che ritornano al buco nero è strettamente correlato alla luminosità di AT2018fyk;
• Il periodo orbitale della stella attorno al buco nero è di circa 1.300 giorni, ovvero circa 3,5 anni.

Il secondo taglio indica che un altro ri-luminamento dovrebbe verificarsi tra maggio e agosto 2025 e, se la stella sopravvive al secondo incontro, un terzo taglio dovrebbe verificarsi tra gennaio e luglio 2027.

Per quanto riguarda la possibilità di vedere una nuova luminosità nel 2025, Coughlin afferma che la scoperta del secondo taglio significa che la stella è stata recentemente privata di più massa, che deve tornare al buco nero per produrre una terza luminosità.

“L’unica incertezza è al picco delle emissioni”, dice. “Il secondo picco ri-illuminato era più debole del primo, ed è un peccato che il terzo burst possa essere ancora più debole. Questa è l’unica cosa che potrebbe limitare la rilevabilità di questo terzo burst.”

Coughlin sottolinea che questo modello rappresenta un nuovo modo entusiasmante per studiare la frequenza di TDE parziali estremamente rari, che si ritiene si verifichino una volta ogni milione di anni in una data galassia. Finora, dice, gli scienziati hanno incontrato solo quattro o cinque sistemi che mostrano questo comportamento.

“Con l’avvento di una migliore tecnologia di rilevamento che scopre scoperte parziali più frequenti, ci aspettiamo che questo modello diventi uno strumento essenziale per gli scienziati nell’identificazione di queste scoperte”, afferma.