Bu çizim, bir gelgit bozucu parlamadaki süper kütleli bir kara delik tarafından yutulan bir yıldızdan gelen parlayan bir malzeme akışını göstermektedir. Bir yıldız bir kara deliğin belirli bir mesafesinden geçtiğinde – yerçekimsel olarak bozulacak kadar yakın – yıldız malzemesi kara deliğin içine düşerken gerilir ve sıkıştırılır. Kredi bilgileri: NASAJPL-Caltech

Bir grup fizikçi, bir yıldızın süper kütleli bir kütlenin etrafındaki beklenmedik yörüngesini gösteren bir model geliştirdi.[{” attribute=””>black hole, uncovering new insights into one of the cosmos’ most extreme environments.

Millions of light-years away in a remote galaxy, a star is being torn apart by the immense gravitational pull of a supermassive black hole. The destruction of the star results in a stream of debris that falls back onto the black hole, forming an accretion disk – a bright and hot disk of material that swirls around the black hole.

The process of a star being destroyed by a supermassive black hole and fueling a bright accretion flare is known as a tidal disruption event (TDE). These events are believed to occur approximately once every 10,000 to 100,000 years in any given galaxy.

With luminosities exceeding entire galaxies (i.e., billions of times brighter than our Sun) for brief periods of time (months to years), accretion events enable astrophysicists to study supermassive black holes (SMBHs) from cosmological distances, providing a window into the central regions of otherwise-quiescent – or dormant – galaxies. By probing these “strong-gravity” events, where Einstein’s general theory of relativity is critical for determining how matter behaves, TDEs yield information about one of the most extreme environments in the universe: the event horizon – the point of no return – of a black hole.

TDEs are usually “once-and-done” because the extreme gravitational field of the SMBH destroys the star, meaning that the SMBH fades back into darkness following the accretion flare. In some instances, however, the high-density core of the star can survive the gravitational interaction with the SMBH, allowing it to orbit the black hole more than once. Researchers call this a repeating partial TDE.

Star Disruption by Supermassive Black Hole

This illustration depicts a star (in the foreground) experiencing spaghettification as it’s sucked in by a supermassive black hole (in the background) during a ‘tidal disruption event’. Credit: ESOM Kornmesser

A team of physicists, including lead author Thomas Wevers, Fellow of the European Southern Observatory, and co-authors Eric Coughlin, assistant professor of physics at Syracuse University, and Dheeraj R. “DJ” Pasham, a research scientist at MIT’s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, have proposed a model for a repeating partial TDE.

Their findings, published in Astrophysical Journal Letters, describe the capture of the star by a SMBH, the stripping of the material each time the star comes close to the black hole, and the delay between when the material is stripped and when it feeds the black hole again. The team’s work is the first to develop and use a detailed model of a repeating partial TDE to explain the observations, make predictions about the orbital properties of a star in a distant galaxy, and understand the partial tidal disruption process.

The team is studying a TDE known as AT2018fyk (AT stands for “Astrophysical Transient”). The star was captured by a SMBH through an exchange process known as “Hills capture,” where the star was originally part of a binary system (two stars that orbit one another under their mutual gravitational attraction) that was ripped apart by the gravitational field of the black hole. The other (non-captured) star was ejected from the center of the galaxy at speeds comparable to ~ 1000 km/s, which is known as a hypervelocity star.

Once bound to the SMBH, the star powering the emission from AT2018fyk has been repeatedly stripped of its outer envelope each time it passes through its point of closest approach with the black hole. The stripped outer layers of the star form the bright accretion disk, which researchers can study using X-Ray and Ultraviolet /Optical telescopes that observe light from distant galaxies.


Bir kara deliğin bir yıldızı tekrar tekrar yok ettiği kısmi bir gelgit kesintisi olayını anlatan animasyon. Kredi: Syracuse Üniversitesi, Wevers, Coughlin, Pasham ve ark. (2022)

Wevers’e göre, kısmi bir TDE’yi inceleme fırsatına sahip olmak, süper kütleli karadeliklerin varlığına ve galaksilerin merkezlerindeki yıldızların yörünge dinamiklerine dair benzeri görülmemiş bir fikir veriyor.

“Şimdiye kadar, bir yıldız ile süper kütleli bir kara delik arasındaki yakın karşılaşmanın sonuçlarını gördüğümüzde, sonucun yıldız için ölümcül olacağı, yani yıldızın tamamen yok olacağı varsayımı vardı” diyor. “Ancak bildiğimiz tüm diğer TDE’lerin aksine, birkaç yıl sonra teleskoplarımızı tekrar aynı yere çevirdiğimizde, yeniden parladığını gördük. Bu, yıldızın bir kısmının ölümcül olmak yerine ilk karşılaşmadan sağ çıktığını ve yeniden parıldama aşamasını açıklayarak bir kez daha malzemeden sıyrılmak üzere aynı konuma geri döndüğünü önermemize yol açtı.”

İlk olarak 2018’de tespit edilen AT2018fyk, başlangıçta sıradan bir TDE olarak algılanıyordu. Yaklaşık 600 gün boyunca kaynak, X-ışınında parlak kaldı, ancak daha sonra aniden karardı ve tespit edilemez hale geldi – yıldız kalıntı çekirdeğinin bir kara deliğe dönmesinin bir sonucu olarak açıklıyor. MİT fizikçi Dheeraj R. Pasham.

Pasham, “Çekirdek kara deliğe geri döndüğünde, esasen yerçekimi yoluyla kara delikten tüm gazı çalar ve sonuç olarak, birikecek hiçbir madde kalmaz ve bu nedenle sistem kararır” diyor.

AT2018fyk’nin parlaklığında ani düşüşe neyin sebep olduğu hemen anlaşılamadı, çünkü TDE’ler emisyonlarında normalde -aniden değil- sorunsuz ve kademeli olarak bozuluyor. Ancak düşüşten yaklaşık 600 gün sonra, kaynağın yine X-ışını parlaklığı olduğu bulundu. Bu, araştırmacıları, yıldızın SMBH ile ilk kez yakın karşılaşmasında hayatta kaldığını ve kara deliğin yörüngesinde olduğunu önermeye yöneltti.

Ayrıntılı modelleme kullanan ekibin bulguları, yıldızın kara delik etrafındaki yörünge periyodunun kabaca 1.200 gün olduğunu ve yıldızdan dökülen malzemenin kara deliğe geri dönüp toplanmaya başlamasının yaklaşık 600 gün sürdüğünü gösteriyor. Modelleri ayrıca yakalanan yıldızın boyutunu da kısıtladı, ki bunun güneş büyüklüğünde olduğuna inanıyorlar. Orijinal ikiliye gelince, ekip, iki yıldızın kara delik tarafından parçalanmadan önce birbirine son derece yakın olduğuna ve muhtemelen birkaç günde bir birbirlerinin yörüngesinde döndüklerine inanıyor.

Öyleyse bir yıldız ölümle karşılaştığında nasıl hayatta kalabilir? Her şey bir yakınlık ve yörünge meselesine bağlı. Yıldız kara delikle kafa kafaya çarpışır ve olay ufkunu (kara delikten kaçmak için gereken hızın ışık hızını geçtiği eşik) geçerse, yıldız kara delik tarafından tüketilir. Yıldız kara deliğin çok yakınından geçer ve “gelgit yarıçapı” denen -deliğin gelgit kuvvetinin yıldızı bir arada tutan kütleçekim kuvvetinden daha güçlü olduğu yer- geçerse, yıldız yok olur. Önerdikleri modelde, yıldızın yörüngesi, gelgit yarıçapının hemen dışında olan, ancak onu tamamen kesmeyen en yakın yaklaşma noktasına ulaşır: yıldız yüzeyindeki malzemenin bir kısmı kara delik tarafından sıyrılır, ancak merkezindeki malzeme bozulmadan kalır.

Yıldızın SMBH’nin yörüngesinde dönmesi sürecinin tekrarlanan birçok pasajda nasıl gerçekleşebileceği veya olup olmadığı, ekibin gelecekteki simülasyonlarla araştırmayı planladığı teorik bir sorudur. Syracuse fizikçisi Eric Coughlin, yıldızın kütlesinin %1 ila %10’unun karadelikten her geçişinde kaybolduğunu tahmin ettiklerini açıklıyor.

Coughlin, “Kütle kaybı yalnızca %1 seviyesindeyse, o zaman yıldızın daha birçok karşılaşmada hayatta kalmasını bekleriz, oysa %10’a yakınsa, yıldız çoktan yok olmuş olabilir” diyor Coughlin.

Ekip, tahminlerini test etmek için önümüzdeki yıllarda gözlerini gökyüzünden ayırmayacak. Modellerine dayanarak, kaynağın Ağustos 2023 civarında aniden kaybolacağını ve 2025’te taze sıyrılan malzeme kara deliğin üzerine yığıldığında yeniden parlayacağını tahmin ediyorlar.

Ekip, çalışmalarının geçmişte tespit edilen takip kaynaklarını izlemek ve izlemek için yeni bir yol sunduğunu söylüyor. Çalışma aynı zamanda, dış galaksilerin merkezlerinden tekrarlanan parlamaların kaynağı için yeni bir paradigma öneriyor.

“Gelecekte, daha fazla sistemin geç patlamalar için kontrol edilmesi muhtemeldir, özellikle de şimdi bu proje, yıldızın dinamik bir değişim süreci ve ardından gelen tekrarlanan kısmi gelgit bozulması yoluyla yakalanmasının teorik bir resmini ortaya koyduğu için.” diyor Coughlin. “Bu modelin, uzaktaki süper kütleli kara deliklerin özelliklerini anlamak ve belirli bir kütle aralığındaki kara deliklerin sayısı olan “demografik özellikleri” hakkında bir anlayış kazanmak için kullanılabileceğini umuyoruz, aksi takdirde doğrudan elde edilmesi zordur.”

Ekip, modelin ayrıca gelgit bozulma süreci hakkında birkaç test edilebilir tahminde bulunduğunu ve AT2018fyk gibi sistemlerin daha fazla gözlemlenmesiyle, kısmi gelgit bozulma olaylarının fiziği ve süper kütleli kara deliklerin etrafındaki aşırı ortamlar hakkında fikir vermesi gerektiğini söylüyor.

Pasham, “Bu çalışma, dış galaksilerdeki süper kütleli kara deliklerin bir sonraki atıştırma sürelerini potansiyel olarak tahmin etmek için metodolojiyi özetliyor” diyor. “Düşünürseniz, Dünya’da nasıl beslenip büyüdüklerini anlamak için teleskoplarımızı milyonlarca ışıkyılı uzaklıktaki karadeliklere hizalayabilmemiz oldukça dikkat çekici.”

Referans: “Live to Die Another Day: The Rebrightening of AT 2018fyk as a Repeating Partial Tidal Disruption Event”, yazan T. Wevers, ER Coughlin, DR Pasham, M. Guolo, Y. Sun, S. Wen, PG Jonker, A. Zabludoff, A. Malyali, R. Arcodia, Z. Liu, A. Merloni, A. Rau, I. Grotova, P. Short ve Z. Cao, 12 Ocak 2023, Astrofizik Dergi Mektupları.
DOI: 10.3847/2041-8213/ac9f36



uzay-2