Czarne dziury pożerające gwiazdy

Ilustracja 1: Przykłady obrazów z przeglądu Pan-STARRS dla badanej próbki. Obserwowane źródło znajduje się w centrum każdego zdjęcia. Skala wynosi 10′ (Publikacja Zespołu).

Co to jest rozrywanie pływowe (ang. Tidal Disruption Event, w skrócie TDE)? Wyobraźmy sobie gwiazdę, która przechodzi bardzo blisko supermasywnej czarnej dziury. Różnica sił grawitacyjnych działających na bliższą i dalszą część gwiazdy staje się wtedy tak duża, że gwiazda zostaje rozerwana. Część jej materii zaczyna następnie opadać na czarną dziurę, tworząc krótkotrwały epizod bardzo intensywnej akrecji. TDE kojarzymy przede wszystkim z gwałtownymi zmianami jasności w zakresie optycznym, ultrafiolecie lub promieniach X. Okazuje się jednak, że niektóre TDE produkują również emisję radiową. Może ona pochodzić z relatywistycznego dżetu, nierelatywistycznego wypływu materii czy szoku powstającego, gdy wyrzucona materia oddziałuje z otoczeniem.

Problem w identyfikowaniu TDE przy użyciu danych radiowych polega na tym, że zmienność radiowa może również wynikać ze zwykłej zmienności AGN. Stąd zasadnicze pytanie, czy przejściowe pojaśnienie na falach radiowych jest wynikiem chwilowej aktywacji aktywnego jądra galaktyki (AGN) czy też śladem rozerwania gwiazdy przez czarną dziurę? Ostatnio astronomowie przeanalizowali 24 obiekty, w których emisja radiowa pojawiła się dopiero niedawno, czyli tzw. radio transients. Zamiast patrzeć tylko na emisję radiową, zbadali je jednak w wielu zakresach widma elektromagnetycznego. Wykorzystali nowe dane optyczne z teleskopów Palomar i Keck, archiwalne widma z przeglądu SDSS, fotometrię optyczną, dane WISE, wieloletni monitoring optyczny oraz wieloepokowe obserwacje radiowe. Dzięki temu mogli odpowiedzieć na pytanie, co znajduje się w galaktyce, która nagle stała się źródłem emisji radiowej.

Co znaleziono? To bardzo ciekawy wynik, bo badana próbka nie jest jednorodna. Większość tych źródeł znajduje się w masywnych galaktykach eliptycznych, zdominowanych przez stare populacje gwiazd. W wielu przypadkach widma wskazują na galaktyki Seyferta, LINER-y czy słabe AGN-y. Co ważne, czarne dziury w tych obiektach są często bardzo masywne, o masach ponad 10⁸ M_Sun w przypadku więcej niż połowy próbki. To bardzo dobrze pasuje do interpretacji, w której radio transients to nagłe uruchomienie lub zmiana trybu akrecji AGN.

Ale jest też druga grupa źródeł. Kilka obiektów zachowuje się zupełnie inaczej. Ich galaktyki mają wyraźne oznaki aktywnego formowania gwiazd, nie są typowymi starymi galaktykami eliptycznymi, mają znacznie mniejsze masy centralnych czarnych dziur. To ważne, ponieważ TDE łatwiej zachodzi wokół czarnej dziury o masie poniżej około 10⁸ M_Sun. Dla bardzo masywnej nierotującej czarnej dziury gwiazda może bowiem zostać pochłonięta, zanim zostanie rozerwana pływowo, więc TDE nie zachodzi. W badanej próbce część obiektów ma masy czarnych dziur rzędu 10⁶-10⁷ M_Sun, czyli właśnie w zakresie szczególnie interesującym z punktu widzenia TDE. W próbce były też dwa obiekty, które oprócz zmienności radiowej wykazują flary w podczerwieni. To interesujące, ponieważ podczerwone pojaśnienia mogą być związane z tym, że pył znajdujący się w otoczeniu pochłania wcześniejsze promieniowanie TDE, a następnie wypromieniowuje energię właśnie w podczerwieni. Jest to tzw. echo podczerwone. Schematycznie można to przedstawić jako ciąg zdarzeń: TDE – silny rozbłysk w UV/X – promieniowanie dociera do pyłu – pył pochłania energię i podgrzewa się – następuje emisja IR. Takie zachowanie jest charakterystyczne dla części znanych źródeł TDE.

Autorzy wykorzystali także dane WISE do sprawdzenia, czy badane obiekty przypominają galaktyki z AGN, galaktyki gwiazdotwórcze, kwazary czy inne, znane przypadki TDE. Na diagramie kolor-kolor WISE TDE nie układają się dokładnie w jeden punkt, ale większość znajduje się w obszarze związanym z populacją galaktyk gwiazdotwórczych. Natomiast większość zwykłych radio transientów z próbki znajduje się bliżej populacji typowych galaktyk radiowych/AGN. To pierwsza wskazówka, że środowisko galaktyki może pomóc rozróżnić TDE od zwykłej zmienności radiowej AGN.

Autorzy poszli krok dalej. Porównali jasność w paśmie WISE W3 ze strumieniem radiowym, nie patrząc tylko na pojedynczy punkt, lecz na na ewolucję danego źródła w czasie. To istotne. Dwa obiekty mogą mieć podobną jasność radiową dzisiaj, ale jeśli prześledzimy ich historię, mogą poruszać się po diagramie W3–radio w zupełnie inny sposób. Ewolucja kandydatów na TDE na tym diagramie jest podobna do ewolucji znanych TDE wykrytych początkowo w optyce, które później zaczęły emitować fale radiowe. Natomiast pozostałe radio transients zachowują się bardziej jak zmienne AGN. I właśnie to doprowadziło autorów do propozycji, że relacja W3–radio może w przyszłości stać się diagnostyką pozwalającą odróżniać radiową aktywność TDE od zmienności AGN.

Te wyniki pokazują, że nie każda nagła aktywność radiowa oznacza rozpoczęcie klasycznej fazy radiowo głośnego AGN-u. Możemy mieć bardzo krótki epizod: akrecja – dżet – emisja radiowa – zanik. A więc obserwujemy prawdopodobnie krótkie epizody aktywności czarnej dziury, które mogą być trudne do znalezienia w klasycznych przeglądach, co jest szczególnie interesujące w kontekście ewolucji AGN. Zamiast znanego obrazu: AGN OFF – AGN ON otrzymujemy raczej: On – Off – On – Off - …, czyli epizodyczną, przerywaną aktywność. Jednak autorzy są dość ostrożni w interpretacji. Nie istnieje jeszcze jednoznaczny obserwacyjny podpis, który mówiłby, że mamy do czynienia z TDE, a nie z flarą AGN. Sama zmienność radiowa nie wystarcza do takiego rozróżnienia. Również obecność AGN nie wyklucza TDE, bo gwiazda może zostać rozerwana w galaktyce, która już posiada aktywne jądro. Dlatego autorzy podkreślają, że potrzebne są dalsze obserwacje, a szczególnie monitoring wielozakresowy pozwalający łatwiej identyfikować TDE wśród źródeł radiowych.