Overal aan de hemel zijn zwarte gaten te zien die sterren verscheuren. Dat is de boodschap uit een nieuwe studie van MIT-wetenschappers, gepubliceerd op 29 januari in The Astrophysical Journal. De auteurs van het onderzoek melden dat ze 18 nieuwe getijdenverstoringsgebeurtenissen (TDE's) hebben ontdekt: extreme gevallen waarin een nabijgelegen ster getijdengetijde in een zwart gat wordt geveegd en in stukken wordt gescheurd. Wanneer een zwart gat feestviert, komt er enorme hoeveelheden energie vrij over het hele elektromagnetische spectrum.
Astronomen hebben eerdere getijdenverstoringen gedetecteerd door te zoeken naar karakteristieke uitbarstingen in optische en röntgengolflengten. Tot nu toe hebben deze zoektochten ongeveer een dozijn sterverpletterende gebeurtenissen in het nabije heelal aan het licht gebracht. De nieuw ontdekte getijdenverstoring van het MIT-onderzoeksteam is meer dan het dubbele van het aantal bekende getijdenverstoringen in het universum.
Onderzoekers ontdekten deze voorheen ‘verborgen’ gebeurtenissen via een onconventionele golflengteband: infrarood. Naast het uitzenden van optische en röntgenuitbarstingen kunnen TDE's infraroodstraling produceren, vooral in "stoffige" sterrenstelsels, waar het centrale zwarte gat gehuld is in puin van sterrenstelsels. Stof in deze sterrenstelsels absorbeert en verduistert vaak optisch licht en röntgenlicht, evenals eventuele tekenen van TDE's in deze banden. Tijdens dit proces warmt het stof ook op, waardoor detecteerbare infraroodstraling ontstaat. Het team ontdekte dat infraroodstraling kan dienen als teken van getijdenverstoringen.
Door observaties in de infraroodband ontdekte het MIT-team meer TDE’s in sterrenstelsels die eerder dergelijke gebeurtenissen hadden meegemaakt. Deze 18 nieuwe gebeurtenissen vinden plaats in verschillende soorten sterrenstelsels en zijn verspreid over de hemel.
"De meeste van deze bronnen verschijnen niet in optische golflengten", zegt eerste auteur Megan Masterson, een afgestudeerde student aan het Kavli Institute for Astrophysics and Space Studies van MIT. "Als je TDE's als geheel wilt begrijpen en ze wilt gebruiken om de populatiestructuur van superzware zwarte gaten te onderzoeken, moet je ze in het infrarood observeren." "
Andere MIT-auteurs zijn onder meer Kishalay De, Christos Panagiotou, Anna-Christina Eilers, Danielle Frostig en Robert Simcoe, evenals Erin Kara, assistent-professor natuurkunde aan het MIT, en medewerkers van meerdere instellingen, waaronder het Max Planck Instituut voor Buitenaardse Fysica in Duitsland.
hitte piek
Het onderzoeksteam heeft onlangs via infraroodwaarnemingen de dichtstbijzijnde TDE ontdekt. Deze ontdekking opent een nieuwe op infrarood gebaseerde manier voor astronomen om te zoeken naar actief voedende zwarte gaten.
Deze eerste ontdekking was voor het onderzoeksteam aanleiding om op zoek te gaan naar meer TDE's. In de nieuwe studie zochten onderzoekers naar archiefobservatiegegevens van NEOWISE, een bijgewerkte versie van NASA's Wide Field Infrared Survey Explorer. De satelliettelescoop werd in 2009 gelanceerd en na een korte pauze bleef hij de hele hemel scannen, op zoek naar infrarode 'transiënten' of korte uitbarstingen.
Het team bekeek de gearchiveerde waarnemingen van de missie met behulp van een algoritme ontwikkeld door co-auteur Kishalay De. Het algoritme kan patronen in infraroodstraling vinden die tekenen kunnen zijn van voorbijgaande uitbarstingen van infraroodstraling. Het team vergeleek vervolgens de getagde voorbijgaande straling met een catalogus van alle bekende nabijgelegen sterrenstelsels binnen een bereik van 200 megapascal per seconde (of 600 miljoen lichtjaar). Ze ontdekten dat de infrarode transiënten terug te voeren zijn op ongeveer 1.000 sterrenstelsels.
Vervolgens versterkten ze het infraroodsignaal van elk sterrenstelsel om te bepalen of het signaal afkomstig was van een andere bron dan TDE's, zoals een actieve galactische kern of een supernova. Nadat ze deze mogelijkheden hadden uitgesloten, analyseerde het team de resterende signalen, op zoek naar een infraroodpatroon dat kenmerkend is voor een TDE: een scherpe piek gevolgd door een geleidelijke daling, die het proces weerspiegelt waarbij het zwarte gat het omringende stof plotseling verwarmt tot ongeveer 1000 Kelvin terwijl het de ster uiteen scheurt, en vervolgens geleidelijk afkoelt.
De analyse vond 18 "schone" signalen van getijdenverstoringen. De onderzoekers onderzochten de sterrenstelsels waar elke getijdenverstoring werd aangetroffen en ontdekten dat deze plaatsvonden in een reeks sterrenstelsels aan de hemel, inclusief stoffige sterrenstelsels.
"Als je naar de hemel kijkt en een aantal sterrenstelsels ziet, zijn TDE's doorgaans in allemaal aanwezig", zei Marston. "Het is niet zo dat ze alleen in één type sterrenstelsel voorkomen, dat is wat mensen denken op basis van optische en röntgenonderzoek." "
Edo Berger, hoogleraar astronomie aan de Harvard Universiteit, zei: "Nu hebben we de mogelijkheid om een telling van nabijgelegen TDE's door het stof te voltooien. Wat bijzonder opwindend is aan dit werk is dat er een enorm potentieel is voor vervolgonderzoek naar grootschalige infraroodonderzoeken van de hemel, en ik ben erg opgewonden om te zien wat ze zullen ontdekken." "
Uitbreiding van het begrip van getijdenverstoringsgebeurtenissen
De bevindingen van het team helpen bij het beantwoorden van enkele belangrijke vragen in de studie van getijdenverstoringen. Vóór dit werk hadden astronomen bijvoorbeeld vooral getijdenverstoring gezien in één type sterrenstelsel: een ‘post-starburst’-stelsel, dat een voormalige stervormingsfabriek was, maar sindsdien inactief is geworden. Dit type sterrenstelsel is zo zeldzaam dat astronomen zich afvragen waarom TDE's alleen in deze zeldzame sterrenstelsels lijken voor te komen. Toevallig zijn deze sterrenstelsels ook relatief stofarm, dus de optische of röntgenstraling van de TDE is uiteraard gemakkelijker te detecteren.
Nu kunnen astronomen via infraroodwaarnemingen TDE’s in meer sterrenstelsels zien. De nieuwe resultaten van het team laten zien dat zwarte gaten sterren in een reeks sterrenstelsels kunnen verslinden, niet alleen in post-starburst-sterrenstelsels.
De bevindingen pakken ook een probleem van "ontbrekende energie" aan. Natuurkundigen voorspellen theoretisch dat TDE-straling meer energie zou moeten hebben dan feitelijk wordt waargenomen. Maar het MIT-onderzoeksteam zegt nu dat stof het verschil kan verklaren. Ze ontdekten dat als een TDE optreedt in een stoffig sterrenstelsel, het stof zelf niet alleen optische straling en röntgenstraling absorbeert, maar ook extreme ultraviolette straling in een hoeveelheid die gelijk is aan de afgeleide 'ontbrekende energie'.
De 18 nieuwe detecties helpen astronomen ook in te schatten hoe vaak getijdenverstoringen voorkomen in specifieke sterrenstelsels. Toen ze de nieuwe TDE vergeleken met eerdere detecties, schatten ze dat een sterrenstelsel elke 50.000 jaar een getijdenverstoring zou meemaken. Deze frequentie ligt dichter bij theoretische voorspellingen van natuurkundigen. Met meer infraroodwaarnemingen hoopt het team de incidentie van getijdenverstoringen op te lossen, evenals de eigenschappen van de zwarte gaten die deze veroorzaken.
"Mensen hebben zeer exotische oplossingen voor deze puzzels bedacht, en nu komen we op het punt waarop we ze allemaal kunnen oplossen", zei Kara. "Dat geeft ons het vertrouwen dat we al deze exotische natuurkunde niet nodig hebben om alles wat we zien te verklaren. We hebben een beter begrip van de mechanismen achter hoe sterren uit elkaar worden gescheurd en opgegeten door zwarte gaten. We krijgen een beter begrip van deze systemen."
Samengestelde bron: ScitechDaily