Mekanisme kosmik diterjemahkan dalam pola makan lubang hitam

Lubang hitam, yang sebelumnya sulit dipahami dan tidak terlihat, telah dideteksi dengan mengamati peristiwa gangguan pasang surut (TDE), di mana bintang-bintang hancur secara dahsyat, menghasilkan semburan api yang dapat diamati dalam jarak yang sangat jauh.

Peredupan dramatis sumber cahaya tersebut menegaskan lokasinya sekitar 860 juta tahun cahaya dari Bumi ketepatan Dari model terperinci yang dikembangkan oleh tim astrofisikawan dari Universitas Syracuse, Institut Teknologi MassachusettsDan Institut Sains Teleskop Luar Angkasa.

Memahami lubang hitam melalui TDE

Teleskop yang kuat mis NASAObservatorium Sinar-X Hubble, James Webb, dan Chandra memberi para ilmuwan jendela ke luar angkasa untuk mengeksplorasi fisika lubang hitam. Meskipun orang mungkin bertanya-tanya bagaimana Anda bisa “melihat” lubang hitam, Lubang hitamBintang-bintang yang menyerap semua cahaya dimungkinkan oleh peristiwa gangguan pasang surut (TDEs) – di mana sebuah bintang dihancurkan oleh lubang hitam supermasif dan dapat memicu “suar akresi bercahaya.” Dengan luminositasnya yang ribuan miliar kali lebih terang dari Matahari, peristiwa akresi memungkinkan ahli astrofisika mempelajari lubang hitam supermasif (SMBH) pada jarak kosmik.

TDE terjadi ketika sebuah bintang terkoyak secara hebat oleh medan gravitasi lubang hitam yang sangat besar. Saat bintang pecah, sisa-sisanya berubah menjadi aliran puing-puing yang jatuh kembali ke lubang hitam untuk membentuk piringan material yang sangat panas dan terang yang mengorbit lubang hitam, yang disebut piringan akresi. Para ilmuwan dapat mempelajari fenomena ini untuk melakukan observasi langsung terhadap TDE dan membandingkannya dengan model teoretis untuk menghubungkan observasi tersebut dengan sifat fisik bintang yang terkoyak dan lubang hitam yang terkoyak.

Inovasi dalam penelitian lubang hitam

Sebuah tim fisikawan dari Syracuse University, MIT, dan Space Telescope Science Institute menggunakan pemodelan terperinci untuk memprediksi kecerahan dan peredupan AT2018fyk, sebuah TDE parsial yang berulang, yang berarti inti bintang dengan kepadatan tinggi lolos dari interaksi gravitasi dengan SMBH, sehingga memungkinkannya untuk mengorbit lubang hitam. Dan merobek lebih dari sekali.

Model tersebut memperkirakan bahwa AT2018fyk akan “meredup” pada Agustus 2023, sebuah prediksi yang terkonfirmasi ketika sumbernya menghilang musim panas lalu, memberikan bukti bahwa model mereka menawarkan cara baru untuk mengeksplorasi fisika lubang hitam. Hasilnya dipublikasikan di jurnal Nature. itu Surat Jurnal Astrofisika.

Sumber energi tinggi

Berkat survei galaksi yang sangat mendetail, para ilmuwan mengamati lebih banyak sumber cahaya yang datang dan pergi dibandingkan sebelumnya. Survei tersebut memindai seluruh belahan bumi untuk mencari sumber cahaya yang terang atau redup secara tiba-tiba, yang memberi tahu para peneliti bahwa ada sesuatu yang berubah. Berbeda dengan teleskop di ruang tamu Anda yang hanya dapat memfokuskan cahaya tampak, teleskop seperti Chandra dapat mendeteksi sumber cahaya dalam spektrum sinar-X yang dipancarkan oleh materi yang bersuhu jutaan derajat.

Cahaya tampak dan sinar-X keduanya merupakan bentuk radiasi elektromagnetik, namun sinar-X memiliki panjang gelombang lebih pendek dan energi lebih besar. Mirip dengan bagaimana kompor Anda menjadi “panas” setelah Anda menyalakannya, gas yang membentuk piringan “bersinar” pada suhu yang berbeda-beda, dengan material terpanas berada paling dekat dengan lubang hitam. Namun, alih-alih memancarkan energinya pada panjang gelombang optik yang terlihat oleh mata, gas yang lebih panas di piringan akresi malah memancarkan spektrum sinar-X. Ini adalah sinar-X yang sama yang digunakan dokter untuk menggambarkan tulang Anda yang dapat melewati jaringan lunak, dan karena transparansi relatif ini, detektor yang digunakan oleh teleskop sinar-X NASA dirancang khusus untuk mendeteksi radiasi berenergi tinggi ini.

Kinerja berulang

Pada Januari 2023, tim fisikawan, termasuk Eric Coughlin, profesor di Departemen Fisika di Universitas Syracuse, dan Dheeraj R. “D.J.” Basham, seorang ilmuwan peneliti di MIT, dan Thomas Wevers, rekan di Space Telescope Science Institute, menulis makalah di Surat Jurnal Astrofisika Tim ini mengusulkan model rinci kekambuhan TDE parsial. Hasil penelitian mereka adalah yang pertama memetakan orbit masuk kembali sebuah bintang di sekitar lubang hitam supermasif – mengungkapkan informasi baru tentang salah satu lingkungan paling ekstrem di alam semesta.

Tim mendasarkan studi mereka pada fenomena TDE yang dikenal sebagai AT2018fyk (AT adalah singkatan dari “fenomena astrofisika sementara”), yang menyatakan bahwa sebuah bintang ditangkap oleh lubang hitam supermasif melalui proses pertukaran yang dikenal sebagai “ridge capture”. Awalnya, salah satu dari dua bintang tersebut adalah bagian dari sistem biner (dua bintang yang mengorbit satu sama lain di bawah gravitasi timbal balik), dan diasumsikan bahwa satu bintang ditangkap oleh medan gravitasi lubang hitam sementara bintang lainnya (yang tidak tertangkap) dikeluarkan dari lubang hitam. pusat galaksi dengan kecepatan yang mirip dengan ~ 1000 km/s.

Setelah terikat pada lubang hitam supermasif, bintang yang memicu emisi dari AT2018fyk berulang kali dikupas kulit terluarnya setiap kali ia melewati titik terdekatnya ke lubang hitam. Lapisan luar bintang yang terkelupas membentuk piringan akresi terang, yang dapat dipelajari para peneliti menggunakan sinar-X dan teleskop ultraviolet/optik yang memantau cahaya dari galaksi jauh.

Meskipun TDE biasanya hanya terjadi sekali saja karena medan gravitasi yang kuat dari lubang hitam supermasif menghancurkan bintang, yang berarti lubang hitam supermasif menghilang kembali ke dalam kegelapan setelah suar akresi, AT2018fyk menghadirkan peluang unik untuk menjelajahi TDE parsial yang berulang.

Tim peneliti menggunakan tiga teleskop untuk membuat penemuan awal dan tindak lanjut: SWIFT dan Chandra, keduanya dioperasikan oleh NASA, dan XMM-Newton, sebuah misi Eropa. Pertama kali terlihat pada tahun 2018, AT2018fyk berjarak sekitar 860 juta tahun cahaya, artinya karena waktu yang dibutuhkan cahaya untuk melakukan perjalanan, hal ini terjadi secara “real time” sekitar 860 juta tahun yang lalu.

Tim menggunakan model terperinci untuk memprediksi bahwa sumber cahaya akan tiba-tiba menghilang sekitar Agustus 2023, kemudian menjadi cerah kembali ketika materi yang baru terkelupas terakumulasi di lubang hitam pada tahun 2025.

Menjelajahi masa depan: harapan dan implikasi

Mengonfirmasi keakuratan model mereka, tim melaporkan penurunan fluks sinar-X selama periode dua bulan, dimulai pada 14 Agustus 2023. Perubahan mendadak ini dapat diartikan sebagai penghentian emisi untuk kedua kalinya.

“Menutup emisi yang diamati menunjukkan bahwa model dan asumsi kami dapat dijalankan, dan menunjukkan bahwa kita memang melihat sebuah bintang perlahan-lahan dimakan oleh lubang hitam yang jauh dan sangat masif,” kata Coughlin. “Dalam makalah kami tahun lalu, kami menggunakan batasan dari ledakan awal, pemudaran, dan kecerahan ulang untuk memperkirakan bahwa AT2018fyk akan menunjukkan pemudaran secara tiba-tiba dan cepat pada bulan Agustus 2023. jika Bintang tersebut selamat dari pertemuan kedua yang menyebabkan suar kedua.

Fakta bahwa sistem menunjukkan penutupan yang diharapkan menunjukkan beberapa perbedaan antara bintang dan lubang hitam:

• Bintang tersebut selamat dari pertemuan kedua dengan lubang hitam;
• Kecepatan puing-puing yang terkelupas kembali ke lubang hitam berkaitan erat dengan kecerahan AT2018fyk;
• Periode orbit bintang di sekitar lubang hitam adalah sekitar 1.300 hari atau sekitar 3,5 tahun.

Batas kedua menunjukkan bahwa kecerahan ulang lainnya akan terjadi antara bulan Mei dan Agustus 2025, dan jika bintang tersebut selamat dari pertemuan kedua, batas ketiga diperkirakan akan terjadi antara bulan Januari dan Juli 2027.

Mengenai apakah kita dapat melihat kecerahan ulang pada tahun 2025, Coughlin mengatakan penemuan potongan kedua berarti bintang tersebut telah kehilangan massanya baru-baru ini, sehingga harus kembali ke lubang hitam untuk menghasilkan kecerahan ketiga.

“Satu-satunya ketidakpastian adalah puncak emisi,” katanya. “Puncak pencerahan kedua jauh lebih lemah dibandingkan yang pertama, dan sangat disayangkan bahwa ledakan ketiga mungkin lebih lemah ledakan ketiga ini.”

Coughlin menunjukkan bahwa model ini mewakili cara baru yang menarik untuk mempelajari frekuensi TDE parsial yang sangat langka, yang diperkirakan terjadi setiap juta tahun sekali di galaksi tertentu. Sejauh ini, katanya, para ilmuwan hanya menemukan empat atau lima sistem yang menunjukkan perilaku ini.

“Dengan munculnya teknologi deteksi yang lebih baik yang dapat mendeteksi TDE parsial lebih sering, kami berharap model ini menjadi alat penting bagi para ilmuwan dalam mengidentifikasi penemuan-penemuan ini,” katanya.

Referensi: “Kemungkinan penghentian kedua AT2018fyk: kalender orbital yang diperbarui dari bintang yang masih hidup di bawah model peristiwa gangguan pasang surut parsial berulang” oleh Dhiraj Basham, E.R. Coughlin, dan M. Gullo, dan T. Weavers, C.J. Nixon, dan Jason T. Hinkle, dan A. Bandopadhyay, 14 Agustus 2024, Surat Jurnal Astrofisika.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad57b3