Op 9 september 2018, astronomen zagen een flits van een sterrenstelsel op 860 miljoen lichtjaar afstand. De bron was een superzwaar zwart gat van ongeveer 50 miljoen keer de massa van de zon. normaal rustig, de zwaartekrachtreus werd plotseling wakker om een ​​passerende ster te verslinden in een zeldzaam geval dat bekend staat als een getijdenverstoring. Toen het stellaire puin in de richting van het zwarte gat viel, er kwam een ​​enorme hoeveelheid energie vrij in de vorm van licht.

Onderzoekers van het MIT, de Europese Zuidelijke Sterrenwacht, en elders meerdere telescopen gebruikten om de gebeurtenis in de gaten te houden, gelabeld AT2018fyk. Tot hun verbazing, ze zagen dat terwijl het superzware zwarte gat de ster verteerde, het vertoonde eigenschappen die vergelijkbaar waren met die van veel kleinere, stellaire zwarte gaten.

De resultaten, vandaag gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift, suggereren dat aanwas, of de manier waarop zwarte gaten evolueren terwijl ze materiaal consumeren, is onafhankelijk van hun grootte.

"We hebben aangetoond dat als je één zwart gat hebt gezien, je hebt ze allemaal gezien, in zekere zin, " zegt studie auteur Dheeraj "DJ" Pasham, een onderzoekswetenschapper in het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van MIT. "Als je een bal gas naar ze gooit, ze lijken allemaal min of meer hetzelfde te doen. Ze zijn hetzelfde beest in termen van hun aanwas."

Tot de co-auteurs van Pasham behoren onder meer hoofdonderzoeker Ronald Remillard en voormalig afgestudeerde student Anirudh Chiti aan het MIT, samen met onderzoekers van de European Southern Observatory, Cambridge Universiteit, Universiteit Leiden, New York Universiteit, de Universiteit van Maryland, Curtin-universiteit, de Universiteit van Amsterdam, en het NASA Goddard Space Flight Center.

Een geweldige wake-up

Wanneer kleine stellaire zwarte gaten met een massa van ongeveer 10 keer onze zon een uitbarsting van licht uitzenden, het is vaak een reactie op een instroom van materiaal van een begeleidende ster. Deze uitbarsting van straling veroorzaakt een specifieke evolutie van het gebied rond het zwarte gat. Van rust, een zwart gat gaat over in een "zachte" fase die wordt gedomineerd door een accretieschijf als stellair materiaal in het zwarte gat wordt getrokken. Naarmate de hoeveelheid materiaal instroom daalt, het gaat weer over naar een "harde" fase waarin een witgloeiende corona het overneemt. Het zwarte gat komt uiteindelijk terug in een gestage rust, en deze hele accretiecyclus kan enkele weken tot maanden duren.

Natuurkundigen hebben deze karakteristieke accretiecyclus gedurende tientallen jaren waargenomen in zwarte gaten met meerdere stellaire massa's. Maar voor superzware zwarte gaten, men dacht dat dit proces te lang zou duren om volledig vast te leggen, aangezien deze goliaths normaal gesproken grazers zijn, langzaam voedend met gas in de centrale gebieden van een melkwegstelsel.

"Dit proces vindt normaal gesproken plaats op tijdschalen van duizenden jaren in superzware zwarte gaten, "Zegt Pasham. "Mensen kunnen niet zo lang wachten om zoiets vast te leggen."

Maar dit hele proces versnelt wanneer een zwart gat een plotselinge, enorme toestroom van materiaal, zoals tijdens een getijdeverstoring, wanneer een ster zo dichtbij komt dat een zwart gat het getijde aan flarden kan scheuren.

"Bij een getijdeverstoring, alles is abrupt, " Zegt Pasham. "Er wordt plotseling een brok gas naar je gegooid, en het zwarte gat wordt plotseling gewekt, en het is als, 'ho, er is zoveel eten - laat me gewoon eten, eten, eet tot het op is.' Dus, het ervaart alles in een korte tijdspanne. Dat stelt ons in staat om al deze verschillende accretiestadia te onderzoeken die mensen hebben gekend in zwarte gaten van stellaire massa."

Een superzware cyclus

In september 2018, de All-Sky Automated Survey for Supernovae (ASASSN) pikte signalen op van een plotselinge flare. Wetenschappers hebben vervolgens vastgesteld dat de uitbarsting het gevolg was van een getijdeverstoring waarbij een superzwaar zwart gat betrokken was, die ze TDE AT2018fyk noemden. Wevers, Pasham, en hun collega's sprongen op het alarm en konden meerdere telescopen sturen, elk getraind om verschillende banden van het ultraviolette en röntgenspectrum in kaart te brengen, richting het systeem.

Het team verzamelde gedurende twee jaar gegevens, met behulp van röntgenruimtetelescopen XMM-Newton en het Chandra X-Ray Observatory, evenals MOOIER, het röntgenmeetinstrument aan boord van het internationale ruimtestation, en het Swift Observatorium, samen met radiotelescopen in Australië.

"We vingen het zwarte gat in de zachte toestand met een accretieschijf die zich vormde, en het grootste deel van de emissie in ultraviolet, met zeer weinig op de röntgenfoto, " zegt Pasham. "Dan stort de schijf in, de corona wordt sterker, en nu is het heel helder in röntgenstralen. Uiteindelijk is er niet veel gas om op te voeden, en de algehele helderheid daalt en gaat terug naar niet-detecteerbare niveaus."

De onderzoekers schatten dat het zwarte gat een ster ter grootte van onze zon getijde heeft verstoord. In het proces, het genereerde een enorme accretieschijf, ongeveer 12 miljard kilometer breed, en gas hebben uitgestoten waarvan ze schatten dat het er ongeveer 40 zijn, 000 Kelvin, of meer dan 70, 000 graden Fahrenheit. Toen de schijf zwakker en minder helder werd, een corona van compact, Röntgenstraling met hoge energie nam de dominante fase rond het zwarte gat over voordat ze uiteindelijk vervaagde.

"Mensen weten dat deze cyclus plaatsvindt in zwarte gaten met stellaire massa, die slechts ongeveer 10 zonsmassa's zijn. Nu zien we dit in iets dat 5 miljoen keer groter is, ' zegt Pasham.

"Het meest opwindende vooruitzicht voor de toekomst is dat dergelijke getijdenverstoringen een venster bieden op de vorming van complexe structuren zeer dicht bij het superzware zwarte gat, zoals de accretieschijf en de corona, " zegt hoofdauteur Thomas Wevers, een fellow bij de European Southern Observatory. "Studeren hoe deze structuren zich vormen en op elkaar inwerken in de extreme omgeving na de vernietiging van een ster, we kunnen hopelijk een beter begrip krijgen van de fundamentele fysieke wetten die hun bestaan ​​​​regeren."

Naast het aantonen dat zwarte gaten accretie op dezelfde manier ervaren, ongeacht hun grootte, de resultaten vertegenwoordigen pas de tweede keer dat wetenschappers de vorming van een corona van begin tot eind hebben vastgelegd.

"Een corona is een zeer mysterieuze entiteit, en in het geval van superzware zwarte gaten, mensen hebben gevestigde corona's bestudeerd, maar weten niet wanneer of hoe ze zijn ontstaan, " zegt Pasham. "We hebben aangetoond dat je getijdenverstoringsgebeurtenissen kunt gebruiken om corona-vorming vast te leggen. Ik kijk er naar uit om deze gebeurtenissen in de toekomst te gebruiken om erachter te komen wat de corona precies is."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.