Tijdens een typisch jaar, meer dan een miljoen mensen bezoeken Yellowstone National Park, waar de Old Faithful geiser regelmatig een straal kokend water hoog in de lucht blaast. Nutsvoorzieningen, een internationaal team van astronomen heeft een kosmisch equivalent ontdekt, een verre melkweg die ongeveer elke 114 dagen uitbarst.

Met behulp van gegevens van faciliteiten, waaronder NASA's Neil Gehrels Swift Observatory en Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), de wetenschappers hebben 20 herhaalde uitbarstingen bestudeerd van een gebeurtenis genaamd ASASSN-14ko. Deze verschillende telescopen en instrumenten zijn gevoelig voor verschillende golflengten van licht. Door ze samen te gebruiken, wetenschappers verkregen meer gedetailleerde foto's van de uitbarstingen.

"Dit zijn de meest voorspelbare en frequent terugkerende multigolflengte-uitbarstingen die we hebben gezien vanuit de kern van een melkwegstelsel, en ze geven ons een unieke kans om deze extragalactische Old Faithful in detail te bestuderen, " zei Anna Payne, een NASA Graduate Fellow aan de Universiteit van Hawai'i in Mānoa. "We denken dat een superzwaar zwart gat in het centrum van de melkweg de uitbarstingen veroorzaakt terwijl het een in een baan om de aarde draaiende gigantische ster gedeeltelijk opslokt."

Payne presenteerde de bevindingen op dinsdag, 12 januari tijdens de virtuele 237e bijeenkomst van de American Astronomical Society. Een paper over de bron en deze observaties, geleid door Payne, wordt wetenschappelijk beoordeeld.

Astronomen classificeren sterrenstelsels met ongewoon heldere en variabele centra als actieve sterrenstelsels. Deze objecten kunnen veel meer energie produceren dan de gezamenlijke bijdrage van al hun sterren, inclusief hoger dan verwachte niveaus van zichtbaar, ultraviolet, en röntgenlicht. Astrofysici denken dat de extra emissie afkomstig is van nabij het centrale superzware zwarte gat van de melkweg. waar een wervelende schijf van gas en stof zich ophoopt en opwarmt door zwaartekracht en wrijvingskrachten. Het zwarte gat verbruikt langzaam het materiaal, die willekeurige fluctuaties in het uitgestraalde licht van de schijf veroorzaakt.

Maar astronomen zijn geïnteresseerd in het vinden van actieve sterrenstelsels met uitbarstingen die met regelmatige tussenpozen plaatsvinden, die hen zou kunnen helpen bij het identificeren en bestuderen van nieuwe fenomenen en gebeurtenissen.

"ASASSN-14ko is momenteel ons beste voorbeeld van periodieke variabiliteit in een actief sterrenstelsel, ondanks tientallen jaren van andere beweringen, omdat de timing van zijn fakkels zeer consistent is gedurende de zes jaar aan gegevens die Anna en haar team hebben geanalyseerd, " zei Jeremy Schnittman, een astrofysicus bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, die zwarte gaten bestudeert maar niet betrokken was bij het onderzoek. "Dit resultaat is een echt hoogstandje van waarnemingsastronomie met meerdere golflengten."

ASASSN-14ko werd voor het eerst gedetecteerd op 14 november, 2014, door de All-Sky Automated Survey for Supernovae (ASAS-SN), een wereldwijd netwerk van 20 robottelescopen met het hoofdkantoor aan de Ohio State University (OSU) in Columbus. Het gebeurde in ESO 253-3, een actief sterrenstelsel op meer dan 570 miljoen lichtjaar afstand in het zuidelijke sterrenbeeld Pictor. Destijds, astronomen dachten dat de uitbarsting hoogstwaarschijnlijk een supernova was, een eenmalige gebeurtenis die een ster vernietigt.

Zes jaar later, Payne onderzocht ASAS-SN-gegevens over bekende actieve sterrenstelsels als onderdeel van haar proefschrift. Kijkend naar de ESO 253-3 lichtcurve, of de grafiek van zijn helderheid in de tijd, ze merkte meteen een reeks gelijkmatig verdeelde fakkels op - in totaal 17, allemaal gescheiden door ongeveer 114 dagen. Elke flare bereikt zijn maximale helderheid in ongeveer vijf dagen, dooft dan gestaag.

Payne en haar collega's voorspelden dat het sterrenstelsel op 17 mei opnieuw zou opflakkeren, 2020, dus coördineerden ze gezamenlijke observaties met grond- en ruimtefaciliteiten, inclusief multigolflengtemetingen met Swift. ASASSN-14ko barstte precies op schema uit. Het team heeft sindsdien latere fakkels op 7 september en 20 december voorspeld en waargenomen.

De onderzoekers gebruikten ook TESS-gegevens voor een gedetailleerde blik op een eerdere fakkel. TESS observeert stroken van de lucht die sectoren worden genoemd, gedurende ongeveer een maand per keer. Tijdens de eerste twee jaar van de missie, de camera's verzamelden elke 30 minuten een volledig sectorbeeld. Met deze snapshots kon het team een ​​nauwkeurige tijdlijn maken van een uitbarsting die begon op 7 november, 2018, het volgen van de opkomst, stijgen tot piekhelderheid, en tot in detail afnemen.

"TESS gaf een zeer grondig beeld van die specifieke overstraling, maar vanwege de manier waarop de missie de lucht afbeeldt, het kan ze niet allemaal observeren, " zei co-auteur Patrick Vallely, een ASAS-SN-teamlid en een afgestudeerde onderzoeksmedewerker van de National Science Foundation bij OSU. "ASAS-SN verzamelt minder details over individuele uitbarstingen, maar biedt een langere basislijn, wat in dit geval cruciaal was. De twee onderzoeken vullen elkaar aan."

Met behulp van metingen van ASAS-SN, TESS, Swift en andere observatoria, waaronder NASA's NuSTAR en XMM-Newton van de European Space Agency, Payne en haar team kwamen met drie mogelijke verklaringen voor de zich herhalende fakkels.

One scenario involved interactions between the disks of two orbiting supermassive black holes at the galaxy's center. Recent measurements, also under scientific review, suggest the galaxy does indeed host two such objects, but they don't orbit closely enough to account for the frequency of the flares.

The second scenario the team considered was a star passing on an inclined orbit through a black hole's disk. In dat geval, scientists would expect to see asymmetrically shaped flares caused when the star disturbs the disk twice, on either side of the black hole. But the flares from this galaxy all have the same shape.

The third scenario, and the one the team thinks most likely, is a partial tidal disruption event.

A tidal disruption event occurs when an unlucky star strays too close to a black hole. Gravitational forces create intense tides that break the star apart into a stream of gas. The trailing part of the stream escapes the system, while the leading part swings back around the black hole. Astronomers see bright flares from these events when the shed gas strikes the black hole's accretion disk.

In dit geval, the astronomers suggest that one of the galaxy's supermassive black holes, one with about 78 million times the Sun's mass, partially disrupts an orbiting giant star. The star's orbit isn't circular, and each time it passes closest to the black hole, it bulges outward, shedding mass but not completely breaking apart. Every encounter strips away an amount of gas equal to about three times the mass of Jupiter.

Astronomers don't know how long the flares will persist. The star can't lose mass forever, and while scientists can estimate the amount of mass it loses during each orbit, they don't know how much it had before the disruptions began.

Payne and her team plan to continue observing the event's predicted outbursts, including upcoming dates in April and August 2021. They'll also be able to examine another measurement from TESS, which captured the Dec. 20 flare with its updated 10-minute snapshot rate.

"TESS was primarily designed to find worlds beyond our solar system, " said Padi Boyd, the TESS project scientist at Goddard. "But the mission is also teaching us more about stars in our own galaxy, including how they pulse and eclipse each other. In verre sterrenstelsels, we've seen stars end their lives in supernova explosions. TESS has even previously observed a complete tidal disruption event. We're always looking forward to the next exciting and surprising discoveries the mission will make."