Ontrafel het mysterie van getijdenverstoringen

Het universum is een gewelddadige plek, dus het leven van een ster kan hier worden afgebroken. Dit gebeurt wanneer een ster zich in een “slechte” buurt bevindt, met name in de buurt van een enorme sterrenhoop Zwart gat.

Deze zwarte gaten, die miljoenen of zelfs miljarden keren groter zijn dan onze zon, bevinden zich meestal in de centra van stille sterrenstelsels. Terwijl de ster zich van het zwarte gat verwijdert, ervaart hij een opwaartse zwaartekracht van het superzware zwarte gat, die uiteindelijk de krachten overwint die de ster intact houden. Dit heeft tot gevolg dat de ster wordt verstoord of vernietigd, een gebeurtenis die bekend staat als een getijdenverstoring (TDE).

“Nadat de ster is gescheurd, vormt zijn gas een accretieschijf rond het zwarte gat. Heldere uitbarstingen van de schijf kunnen op bijna alle golflengten worden waargenomen, vooral met telescopen en satellieten die röntgenstralen detecteren”, zegt postdoctoraal onderzoeker Yannis Lioudakis van de universiteit van Turku en het Finse centrum voor astronomie. ESO (vinca).

Tot voor kort wisten maar weinig onderzoekers van TDE, omdat er niet veel experimenten waren die het konden detecteren. In de afgelopen jaren hebben wetenschappers echter de tools ontwikkeld om meer TDE te monitoren. Interessant, maar misschien niet verrassend, hebben deze waarnemingen geleid tot nieuwe mysteries die onderzoekers momenteel bestuderen.

“Waarnemingen van grootschalige experimenten met optische telescopen hebben aangetoond dat een groot aantal TDE’s geen röntgenstralen produceren, ook al kunnen uitbarstingen van zichtbaar licht duidelijk worden gedetecteerd. Deze bevinding is in tegenspraak met ons basisbegrip van de evolutie van stellaire materie die is verstoord in TDE’s, ” merkt Liodakis op.

Bij een getijdenverstoring komt een ster zo dicht bij een superzwaar zwart gat dat de zwaartekracht van het zwarte gat de ster buigt totdat deze wordt vernietigd (Afbeelding 1). Interstellaire materie van de vernietigde ster vormt een elliptische stroom rond het zwarte gat (afbeelding 2). Getijdenschokken vormen zich rond het zwarte gat wanneer gas zichzelf raakt op de terugweg nadat het in een baan om het zwarte gat is gedraaid (afbeelding 3). Getijdenschokken creëren heldere uitbarstingen van gepolariseerd licht die waarneembaar zijn op optische en ultraviolette golflengten. Na verloop van tijd vormt het gas van de vernietigde ster een accretieschijf rond het zwarte gat (afbeelding 4) terwijl het langzaam het zwarte gat in wordt getrokken. Opmerking: de afbeeldingsgrootte is niet nauwkeurig. Krediet: Jenny Gurmaninen

Een studie gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappen Een internationaal team van astronomen onder leiding van het Finse centrum voor astronomie met ESO suggereert dat het gepolariseerde licht afkomstig van de TDE de sleutel kan zijn tot het oplossen van deze puzzel.

In plaats van een heldere X-ray accretieschijf rond het zwarte gat te vormen, zou de uitbarsting die wordt waargenomen in het optische en ultraviolette licht dat in veel TDE’s wordt gedetecteerd, afkomstig kunnen zijn van getijdenschokken. Deze schokken vormen zich ver van het zwarte gat wanneer gas van de vernietigde ster zichzelf treft op de terugweg na een baan om het zwarte gat. De heldere röntgenaccretieschijf zou zich later in deze gebeurtenissen vormen.

“De polarisatie van licht kan unieke informatie opleveren over fundamentele processen in astrofysische systemen. Het gepolariseerde licht dat we van de TDE hebben gemeten, kan alleen worden verklaard door deze getijdenschokken”, zegt Lioudakis, hoofdauteur van het onderzoek.

Gepolariseerd licht heeft onderzoekers geholpen stervernietiging te begrijpen

Het team ontving eind 2020 een openbare waarschuwing van de Gaia-satelliet van een voorbijgaande nucleaire gebeurtenis in een nabijgelegen melkwegstelsel geïdentificeerd als AT 2020mot. De onderzoekers observeerden vervolgens AT 2020mot in een breed scala aan golflengten, waaronder optische polarisatie en spectroscopiewaarnemingen uitgevoerd met de Scandinavian Optical Telescope (NOT), eigendom van de Universiteit van Turku. De waarnemingen van NOT waren bijzonder nuttig om deze ontdekking mogelijk te maken. Daarnaast werden waarnemingen van polarisatie gedaan als onderdeel van een cursus observatieastronomie voor middelbare scholieren.

“De Scandinavische optische telescoop en de polarimeter die we in het onderzoek gebruiken, hebben een belangrijke rol gespeeld bij onze inspanningen om superzware zwarte gaten en hun omgeving te begrijpen”, zegt doctoraal onderzoeker Jenny Jormaninen van FINCA en de Universiteit van Turku, die de polarisatiewaarnemingen en -analyse leidde met NOT.

De onderzoekers ontdekten dat het optische licht dat uit AT 2020mot kwam sterk gepolariseerd was en in de loop van de tijd veranderde. Ondanks vele pogingen zijn noch radio- noch röntgentelescopen in staat geweest om de straling van de gebeurtenis vóór, tijdens of zelfs maanden na de piek van de uitbarsting te detecteren.

“Toen we zagen hoe gepolariseerd AT2020mot was, dachten we meteen aan een jet die uit een zwart gat schiet, zoals we vaak waarnemen rond superzware zwarte gaten die zich omringend gas ophopen. Er werd echter geen jet gevonden”, zegt Elena Lindfors, een academisch onderzoeker aan de Universiteit van Turku en Fenca.

Het team van astronomen realiseerde zich dat de gegevens nauw overeenkwamen met een scenario waarin een stroom interstellair gas met zichzelf in botsing komt en hobbels vormt nabij het midden en de voorkant van zijn baan rond het zwarte gat. De schokken versterken vervolgens het magnetische veld en rangschikken het in de stellaire stroom die van nature zal resulteren in sterk gepolariseerd licht. Het optische polarisatieniveau was te hoog om door de meeste modellen te worden verklaard, en het feit dat het in de loop van de tijd veranderde, maakte het nog moeilijker.

“Alle modellen die we hebben bekeken, konden de waarnemingen niet verklaren, behalve het getijdenschokmodel”, merkt Kari Kollionen op, die ten tijde van de waarnemingen astronoom was bij FINCA en nu werkt aan de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie (NTNU).

De onderzoekers zullen het gepolariseerde licht dat uit de TDE’s komt blijven volgen en kunnen binnenkort meer ontdekken over wat er gebeurt nadat een ster crasht.

Referentie: “Optical Polarization from Stellar Stream Shock Collision in a Tidal Disturbance Event” door I.A. Leodakis, KII Koljonen, D. Blinov, E. Lindfors, KD Alexander, T. Hovatta, M. Berton, A. Hajela, J. Jormanainen, K. Kouroumpatzakis, N. Mandarakas en K.
DOI: 10.1126/science.abj9570