Op 22 november 2014, astronomen zagen een zeldzame gebeurtenis aan de nachtelijke hemel:een superzwaar zwart gat in het centrum van een sterrenstelsel, bijna 300 miljoen lichtjaar van de aarde, een passerende ster uit elkaar scheuren. De gebeurtenis, bekend als een getijdestoring flare, voor de enorme getijkracht van het zwarte gat die een ster uit elkaar scheurt, veroorzaakte een uitbarsting van röntgenactiviteit nabij het centrum van de melkweg. Vanaf dat moment, een groot aantal observatoria hebben hun zinnen gezet op het evenement, in de hoop meer te weten te komen over hoe zwarte gaten zich voeden.

Nu hebben onderzoekers van het MIT en elders de gegevens van de waarnemingen van meerdere telescopen doorzocht, en ontdekte een merkwaardig intense, stal, en periodieke puls, of signaal, van röntgenstralen, over alle datasets. Het signaal lijkt afkomstig te zijn van een gebied dat zeer dicht bij de waarnemingshorizon van het zwarte gat ligt - het punt waarboven materiaal onontkoombaar wordt opgeslokt door het zwarte gat. Het signaal lijkt om de 131 seconden periodiek op te helderen en te vervagen, en blijft gedurende ten minste 450 dagen bestaan.

De onderzoekers geloven dat alles wat het periodieke signaal uitzendt, in een baan om het zwarte gat moet draaien. net buiten de gebeurtenishorizon, nabij de binnenste stabiele cirkelvormige baan, of ISCO - de kleinste baan waarin een deeltje veilig rond een zwart gat kan reizen.

Gezien de stabiele nabijheid van het signaal tot het zwarte gat, en de massa van het zwarte gat, die onderzoekers eerder schatten op ongeveer 1 miljoen keer die van de zon, het team heeft berekend dat het zwarte gat met ongeveer 50 procent van de lichtsnelheid ronddraait.

De bevindingen, vandaag gemeld in het journaal Wetenschap , zijn de eerste demonstraties van een getijdestoring die wordt gebruikt om de spin van een zwart gat te schatten.

De eerste auteur van de studie, Dheeraj Pasham, een postdoc in het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van MIT, zegt dat de meeste superzware zwarte gaten slapend zijn en meestal niet veel röntgenstraling uitzenden. Slechts af en toe laten ze een uitbarsting van activiteit los, zoals wanneer sterren dichtbij genoeg komen voor zwarte gaten om ze te verslinden. Nu zegt hij dat gezien de resultaten van het team, dergelijke fakkels van getijdenverstoring kunnen worden gebruikt om de spin van superzware zwarte gaten te schatten - een kenmerk dat is, tot nu toe, ongelooflijk lastig vast te pinnen.

"Gebeurtenissen waarbij zwarte gaten sterren versnipperen die te dicht bij hen komen, kunnen ons helpen de spins in kaart te brengen van verschillende superzware zwarte gaten die slapend zijn en anderszins verborgen in de centra van sterrenstelsels, " zegt Pasham. "Dit zou ons uiteindelijk kunnen helpen begrijpen hoe sterrenstelsels zich in de loop van de kosmische tijd hebben ontwikkeld."

Tot de co-auteurs van Pasham behoren Ronald Remillard, Jeroen Homan, Deepto Chakrabarty, Frederik Baganoff, en James Steiner van MIT; Alessia Franchini aan de Universiteit van Nevada; Chris Fragile van het College van Charleston; Nicholas Stone van de Universiteit van Columbia; Eric Coughlin van de Universiteit van Californië in Berkeley; en Nishanth Pasham, van Sunnyvale, Californië.

Een echt signaal

Theoretische modellen van fakkels van getijdenverstoring laten zien dat wanneer een zwart gat een ster uit elkaar scheurt, een deel van het materiaal van die ster kan buiten de waarnemingshorizon blijven, cirkelen, in ieder geval tijdelijk in een stabiele baan zoals de ISCO, en periodieke flitsen van röntgenstralen afgeven voordat ze uiteindelijk door het zwarte gat worden gevoed. De periodiciteit van de röntgenflitsen codeert dus belangrijke informatie over de grootte van de ISCO, die zelf wordt bepaald door hoe snel het zwarte gat draait.

Pasham en zijn collega's dachten dat als ze zulke regelmatige flitsen konden zien vlakbij een zwart gat dat recentelijk een getijdestoring had ondergaan, deze signalen konden hen een idee geven van hoe snel het zwarte gat ronddraaide.

Ze richtten hun zoektocht op ASASSN-14li, de getijdenverstoring die astronomen in november 2014 hebben vastgesteld, met behulp van de grondgebaseerde All-Sky Automated Survey voor SuperNovae (ASASSN).

"Dit systeem is opwindend omdat we denken dat het een voorbeeld is voor fakkels van getijdenverstoring, " zegt Pasham. "Deze specifieke gebeurtenis lijkt overeen te komen met veel van de theoretische voorspellingen."

Het team bekeek gearchiveerde datasets van drie observatoria die röntgenmetingen van het evenement verzamelden sinds de ontdekking:het XMM-Newton-ruimteobservatorium van de European Space Agency, en NASA's op de ruimte gebaseerde Chandra en Swift observatoria. Pasham ontwikkelde eerder een computercode om periodieke patronen in astrofysische gegevens te detecteren. maar niet specifiek voor getijdenverstoringen. Hij besloot zijn code toe te passen op de drie datasets voor ASASSN-14li, om te zien of er gemeenschappelijke periodieke patronen naar de oppervlakte zouden komen.

Wat hij waarnam was een verrassend sterke, stal, en periodieke uitbarsting van röntgenstraling die van zeer dicht bij de rand van het zwarte gat leek te komen. Het signaal pulseerde elke 131 seconden, meer dan 450 dagen, en was extreem intens - ongeveer 40 procent boven de gemiddelde röntgenhelderheid van het zwarte gat.

"Eerst geloofde ik het niet omdat het signaal zo sterk was, ' zegt Pasham. 'Maar we hebben het in alle drie de telescopen gezien. Dus uiteindelijk, het signaal was echt."

Op basis van de eigenschappen van het signaal, en de massa en grootte van het zwarte gat, het team schatte dat het zwarte gat minstens 50 procent van de lichtsnelheid ronddraait.

"Dat is niet supersnel - er zijn andere zwarte gaten met naar schatting bijna 99 procent van de lichtsnelheid, "Zegt Pasham. "Maar dit is de eerste keer dat we fakkels voor getijdenverstoring kunnen gebruiken om de spins van superzware zwarte gaten te beperken."

Het onzichtbare verlichten

Toen Pasham het periodieke signaal ontdekte, het was aan de theoretici van het team om een ​​verklaring te vinden voor de oorzaak ervan. Het team bedacht verschillende scenario's, maar degene die het meest waarschijnlijk zo'n sterke, Bij normale röntgenstraling gaat het niet alleen om een ​​zwart gat dat een passerende ster verscheurt, maar ook een kleiner type ster, bekend als een witte dwerg, in een baan rond het zwarte gat.

Zo'n witte dwerg cirkelde mogelijk om het superzware zwarte gat, bij ISCO -de binnenste stabiele cirkelvormige baan - enige tijd. Alleen, het zou niet genoeg zijn geweest om enige vorm van detecteerbare straling uit te zenden. Voor alle doeleinden, de witte dwerg zou onzichtbaar zijn geweest voor telescopen toen hij om de relatief inactieve, draaiend zwart gat.

Ergens rond 22 november, 2014, een tweede ster passeerde dicht genoeg bij het systeem dat het zwarte gat het uit elkaar scheurde in een getijdeverstorende fakkel die een enorme hoeveelheid röntgenstraling uitzond, in de vorm van heet, versnipperd stellair materiaal. Terwijl het zwarte gat dit materiaal naar binnen trok, een deel van het stellaire puin viel in het zwarte gat, terwijl sommigen net buiten bleven, in de binnenste stabiele baan - dezelfde baan waarin de witte dwerg cirkelde. Toen de witte dwerg in contact kwam met dit hete stellaire materiaal, het sleepte het waarschijnlijk mee als een soort lichtgevende overjas, het verlichten van de witte dwerg in een intense hoeveelheid röntgenstralen elke keer dat het om het zwarte gat cirkelde, elke 131 seconden.

De wetenschappers geven toe dat een dergelijk scenario ongelooflijk zeldzaam zou zijn en hoogstens enkele honderden jaren zou duren - een oogwenk op kosmische schalen. De kans dat een dergelijk scenario wordt ontdekt, zou buitengewoon klein zijn.

"Het probleem met dit scenario is dat, als je een zwart gat hebt met een massa die 1 miljoen keer die van de zon is, en er cirkelt een witte dwerg omheen, dan op een gegeven moment over slechts een paar honderd jaar, de witte dwerg duikt in het zwarte gat, " zegt Pasham. "We zouden enorm veel geluk hebben gehad om zo'n systeem te vinden. Maar in ieder geval wat betreft de eigenschappen van het systeem, dit scenario lijkt te werken."

De overkoepelende betekenis van de resultaten is dat ze laten zien dat het mogelijk is om de spin van een zwart gat te beperken, van getijdenverstoringen, volgens Pasham. Vooruit gaan, hij hoopt soortgelijke stabiele patronen te identificeren in andere stervernietigingsgebeurtenissen, van zwarte gaten die zich verder terug in ruimte en tijd bevinden.

"In het komende decennium we hopen meer van deze gebeurtenissen te ontdekken, " zegt Pasham. "Het schatten van spins van verschillende zwarte gaten van het begin der tijden tot nu zou waardevol zijn om te schatten of er een verband is tussen de spin en de leeftijd van zwarte gaten."