Als een ster te dicht bij een superzwaar zwart gat komt, getijdenkrachten scheuren het uit elkaar, het produceren van een heldere uitbarsting van straling als materiaal van de ster in het zwarte gat valt. Astronomen bestuderen het licht van deze "getijdenverstoringen" (TDE's) voor aanwijzingen voor het voedingsgedrag van de superzware zwarte gaten die op de loer liggen in de centra van sterrenstelsels.

Nieuwe TDE-waarnemingen onder leiding van astronomen van UC Santa Cruz leveren nu duidelijk bewijs dat puin van de ster een roterende schijf vormt, een accretieschijf genoemd, rond het zwarte gat. Theoretici hebben gedebatteerd of een accretieschijf efficiënt kan worden gevormd tijdens een getijdenverstoring, en de nieuwe bevindingen, geaccepteerd voor publicatie in de Astrofysisch tijdschrift en online beschikbaar, zou die vraag moeten helpen oplossen, zei eerste auteur Tiara Hung, een postdoctoraal onderzoeker aan UC Santa Cruz.

"In de klassieke theorie de TDE-flare wordt aangedreven door een accretieschijf, het produceren van röntgenstralen vanuit het binnenste gebied waar heet gas in het zwarte gat spiraliseert, " zei Hung. "Maar voor de meeste TDE's, we zien geen röntgenstralen - ze schijnen meestal in de ultraviolette en optische golflengten - dus werd gesuggereerd dat, in plaats van een schijf, we zien emissies van de botsing van stellaire puinstromen."

Medeauteurs Enrico Ramirez-Ruiz, hoogleraar astronomie en astrofysica aan UCSC, en Jane Dai van de Universiteit van Hong Kong ontwikkelden een theoretisch model, gepubliceerd in 2018, dat kan verklaren waarom röntgenstraling meestal niet wordt waargenomen in TDE's, ondanks de vorming van een accretieschijf. De nieuwe waarnemingen bieden sterke ondersteuning voor dit model.

"Dit is de eerste solide bevestiging dat accretieschijven worden gevormd bij deze gebeurtenissen, zelfs als we geen röntgenfoto's zien, Ramirez-Ruiz zei. "Het gebied dicht bij het zwarte gat wordt verduisterd door een optisch dikke wind, dus we zien de röntgenstraling niet, maar we zien wel optisch licht van een verlengde elliptische schijf."

Veelbetekenend bewijs

Het veelbetekenende bewijs voor een accretieschijf komt van spectroscopische waarnemingen. Co-auteur Ryan Foley, assistent-professor astronomie en astrofysica aan UCSC, en zijn team begonnen de TDE (genaamd AT 2018hyz) te monitoren nadat deze in november 2018 voor het eerst werd gedetecteerd door de All Sky Automated Survey voor SuperNovae (ASAS-SN). Foley merkte een ongewoon spectrum op tijdens het observeren van de TDE met de 3-meter Shane Telescope bij UC's Lick Observatory in de nacht van 1 januari 2019.

"Mijn mond viel open, en ik wist meteen dat dit interessant zou worden, " zei hij. "Wat opviel was de waterstoflijn - de emissie van waterstofgas - die een profiel met dubbele pieken had dat anders was dan alle andere TDE's die we hadden gezien."

Foley legde uit dat de dubbele piek in het spectrum het gevolg is van het Doppler-effect, die de frequentie van het door een bewegend object uitgezonden licht verschuift. In een accretieschijf die rond een zwart gat draait en onder een hoek wordt bekeken, een deel van het materiaal zal naar de waarnemer toe bewegen, dus het licht dat het uitstraalt zal naar een hogere frequentie worden verschoven, en een deel van het materiaal zal van de waarnemer weg bewegen, het licht verschoof naar een lagere frequentie.

"Het is hetzelfde effect dat ervoor zorgt dat het geluid van een auto op een racecircuit verschuift van een hoge toon als de auto naar je toe komt naar een lagere toon wanneer hij voorbijrijdt en van je af begint te rijden, ' zei Foley. 'Als je op de tribune zit, de auto's in de ene bocht rijden allemaal naar je toe en de auto's in de andere bocht rijden van je af. In een accretieschijf, het gas beweegt op dezelfde manier rond het zwarte gat, en dat is wat de twee pieken in het spectrum geeft."

Het team bleef de komende maanden gegevens verzamelen, het observeren van de TDE met verschillende telescopen terwijl deze zich in de loop van de tijd ontwikkelde. Hung leidde een gedetailleerde analyse van de gegevens, wat aangeeft dat schijfvorming relatief snel plaatsvond, in een kwestie van weken na de verstoring van de ster. De bevindingen suggereren dat schijfvorming veel voorkomt bij optisch gedetecteerde TDE's, ondanks de zeldzaamheid van emissie met dubbele piek, die afhangt van factoren zoals de helling van de schijf ten opzichte van waarnemers.

"I think we got lucky with this one, " Ramirez-Ruiz said. "Our simulations show that what we observe is very sensitive to the inclination. There is a preferred orientation to see these double-peak features, and a different orientation to see x-ray emissions."

He noted that Hung's analysis of multi-wavelength follow-up observations, including photometric and spectroscopic data, provides unprecedented insights into these unusual events. "When we have spectra, we can learn a lot about the kinematics of the gas and get a much clearer understanding of the accretion process and what is powering the emissions, " Ramirez-Ruiz said.

In addition to Hung, Foley, Ramirez-Ruiz, and other members of the UCSC team, the coauthors of the paper also include scientists at the Niels Bohr Institute in Copenhagen (where Ramirez-Ruiz holds a Niels Bohr Professorship); University of Hong Kong; Universiteit van Melbourne, Australië; Carnegie Institution for Science; en Space Telescope Science Institute.

Observations were obtained at Lick Observatory, the W. M. Keck Observatory, the Southern Astrophysical Research (SOAR) telescope, and the Swope Telescope at Las Campanas Observatory in Chile. This work was supported in part by the National Science Foundation, the Gordon and Betty Moore Foundation, the David and Lucile Packard Foundation, and the Heising-Simons Foundation.