Süper kütleli kara delikler (SMBH’ler) üzerine araştırmalar, yıldızların SMBH’ler tarafından yok edildiği gelgit bozulması olaylarının (TDE’ler) gözlemlenmesiyle ilerlemiştir. CN22 modeli, TDE’lerin en yüksek birikim sürelerinin çoğunlukla yıldızın özelliklerinden değil, SMBH’nin kütlesinden etkilendiğini ortaya koyuyor; bu da daha önceki teorilerle çelişiyor ve SMBH’lerin anlaşılmasına yardımcı oluyor. Sanatçının bir gelgit kesintisi olayını temsili (bir yıldızın bir kara delik tarafından parçalanması). Katkıda bulunanlar: NASA / CXC / M. Weiss
Pek çok büyük galaksinin kalbinde süper kütleli bir Kara delik (SMBH) ikamet etmektedir. Bize ait Samanyolu galaksi, Güneş’inkinden yaklaşık 4,3 milyon kat daha büyük bir kütleye sahip, çoğunlukla hareketsiz bir SMBH olan Yay A*’ya ev sahipliği yapıyor. Ancak kozmosun daha derinlerinde, kütleleri Güneş’in on milyarlarca katına ulaşan çok daha devasa SMBH’ler mevcut.
Kara delikler, yıldızlar da dahil olmak üzere yakın çevrelerindeki nesneleri yerçekimsel olarak tüketerek kütle olarak büyürler. Bu, SMBH’ler tarafından yutulacak kadar şanssız yıldızlar için felaket ve yıkıcı bir son, ancak artık galaksilerin hareketsiz merkezlerini araştırma fırsatına sahip olan bilim adamları için şanslı.
TDE’ler Yolu Aydınlatıyor
Adından da anlaşılacağı gibi kara delikler kendilerine ait herhangi bir ışık yaymazlar, bu da onları araştırmacıların gözlemlemesini oldukça zorlaştırır. Ancak bir yıldız, süper kütleli bir kara deliğe yeterince yaklaştığında, kara deliğin muazzam gelgit çekim alanı tarafından, Dünya’nın Ay ile gelgit etkileşiminin etkili bir örneği olan bir etkileşim yoluyla yok edilebilir. Gelgit nedeniyle yok olan malzemenin bir kısmı kara deliğe düşerek çok sıcak, çok parlak bir malzeme diski oluşturuyor. Gelgit bozulması olayı (TDE) olarak bilinen bu süreç, güçlü teleskoplarla görüntülenebilecek ve bilim insanları tarafından analiz edilebilecek bir ışık kaynağı sağlıyor.
TDE’ler nispeten nadirdir; belirli bir galakside kabaca her 10.000 ila 100.000 yılda bir meydana geleceği tahmin edilmektedir. Tipik olarak yılda bir ila iki düzine TDE tespit ediliyor, ancak şu anda Şili’de inşaatı devam eden Vera C. Rubin Gözlemevi gibi yeni teknolojinin gelişmesiyle birlikte önümüzdeki yıllarda yüzlercesinin gözlemlenmesi bekleniyor. Bu güçlü gözlemevleri gece gökyüzünü yükselen ve düşen ışık kaynakları için tarar ve böylece zamanı değiştiren astronomik olaylar açısından kozmosu “araştırır”. Bu araştırmaları kullanarak astrofizikçiler, SMBH’lerin ve yok ettikleri yıldızların özelliklerini tahmin etmek için TDE’ler üzerinde çalışmalar yapabilirler. Araştırmacıların anlamaya çalıştığı şeylerden biri de hem yıldızın hem de SMBH’nin kütlesidir. Bir model oldukça sık kullanılırken, yakın zamanda yeni bir model geliştirildi ve şu anda test ediliyor.
Analitik Modellerin Ortaya Çıkışı
Yığılma oranı veya bir yıldızın yıldız malzemesinin bir TDE sırasında SMBH’ye geri düşme hızı, yıldızların ve SMBH’lerin kütleleri gibi önemli işaretlerini ortaya çıkarır. Bunu hesaplamanın en doğru yolu, kara deliğin üzerine yağmur yağarken TDE’den gelgitle yok edilen malzemenin gaz dinamiklerini analiz etmek için bir bilgisayar kullanan sayısal bir hidrodinamik simülasyondur. Kesin olmasına rağmen bu teknik pahalıdır ve araştırmacıların bir TDE’yi hesaplaması haftalar hatta aylar sürebilir.
Son yıllarda fizikçiler birikim oranını hesaplamak için analitik modeller geliştirdiler. Bu modeller, bozulan yıldızların ve kara deliklerin özelliklerini anlamak için etkili ve uygun maliyetli bir yöntem sunmaktadır ancak bunların yapısıyla ilgili belirsizlikler devam etmektedir. kesinlik onların yaklaşıklıkları.
Şu anda bir avuç analitik model mevcuttur; belki de en iyi bilineni “dondurulmuş” yaklaşımdır; bu isim, kara deliğin üzerine yağan enkazın yörünge periyodunun, gelgit yarıçapı adı verilen kara delikten belirli bir mesafede belirlenmiş veya “donmuş” olmasından kaynaklanmaktadır. 1982’de Lacy, Townes ve Hollenbach tarafından önerilen ve daha sonra 2009’da Lodato, King ve Pringle tarafından genişletilen bu model, büyük kütleli yıldızların birikim oranının, yıldızların durumuna bağlı olarak bir ila 10 yıl arasında değişebilen bir zaman ölçeğinde zirveye çıktığını öne sürüyor. yıldızın kütlesi. Bu, eğer gece gökyüzüne bakıyorsanız, bir kaynağın başlangıçta yıllar içinde zaman içinde parlayabileceği, zirveye çıkabileceği ve azalabileceği anlamına gelir.
İleriye Doğru Yeni Bir Yol
Syracuse Üniversitesi’nden fizik profesörü Eric Coughlin ve Leeds Üniversitesi’nden teorik astrofizik doçenti Chris Nixon, 2022’de yeni bir model önerdiler. CN22 Yıldızın özelliklerinin ve kara deliğin kütlesinin bir fonksiyonu olarak TDE’ler için en yüksek zaman ölçeğini belirleyen model. Bu yeni modelden, bazı hidrodinamik simülasyonların sonuçlarıyla uyumlu olan TDE zirve zaman çizelgelerini ve birikim oranlarını elde ettiler, ancak bu modelin daha geniş etkileri ve ayrıca yıldızın kütlesi ve yaşı da dahil olmak üzere daha geniş bir yıldız türü aralığına ilişkin tahminleri de vardı. yıldız – tam olarak aydınlatılamadı.
Bu modelin tahminlerini daha geniş bir bağlamda daha iyi karakterize etmek ve anlamak için, Syracuse Üniversitesi’nden Ph.D. Ananya Bandopadhyay liderliğindeki bir araştırmacı ekibi. Fizik Bölümü öğrencisi, CN22 modelinin sonuçlarını analiz etmek ve onu farklı yıldız türlerine ve çeşitli kütlelerdeki SMBH’lere karşı test etmek için bir çalışma yürüttü. Ekibin çalışması yayınlandı Astrofizik Günlük Mektupları. Baş yazar Bandopadhyay’ın yanı sıra ortak yazarlar arasında Coughlin, Nixon, Fizik Bölümü lisans ve yüksek lisans öğrencileri ve Syracuse Şehri Okul Bölgesi (SCSD) öğrencileri de vardı. SCSD öğrencilerinin katılımı, Syracuse Üniversitesi Fizik Araştırmaları (SURPh) programı aracılığıyla mümkün oldu; bu program, yerel lise öğrencilerinin, Sanat ve Bilim Koleji’nin Fizik Bölümü öğretim üyeleri ve öğrencileriyle birlikte en ileri araştırmalara katıldığı altı haftalık ücretli bir stajdır. Fizik.
2022 ve 2023 yaz aylarında SCSD öğrencileri, CN22 modelinin geçerliliğini test eden hesaplamalı projeler üzerinde Syracuse fizikçileriyle işbirliği yaptı. Yıldızların evrimini incelemek için ‘Yıldız Astrofiziğinde Deneyler İçin Modüller’ adı verilen bir yıldız evrimi kodunu kullandılar. Bu profilleri kullanarak, daha sonra “donmuş” yaklaşım ve CN22 modeli için çeşitli yıldız kütleleri ve yaşları için birikim oranı tahminlerini karşılaştırdılar. Ayrıca, model tahminlerini sayısal olarak elde edilen birikim hızıyla karşılaştırmak için güneş benzeri bir yıldızın süper kütleli bir kara delik tarafından bozulmasına ilişkin sayısal hidrodinamik simülasyonlar da gerçekleştirdiler.
Bulguları
Bandopadhyay’a göre ekip, CN22 modelinin hidrodinamik simülasyonlarla son derece iyi bir uyum içinde olduğunu buldu. Dahası ve belki de en derin olanı, bir TDE’deki birikim oranının en yüksek zaman ölçeğinin, yok edilen yıldızın özelliklerine (kütle ve yaş) karşı çok duyarsız olduğu, Güneşimiz gibi bir yıldız tarafından yok edilen bir yıldız için ~ 50 gün olduğu bulgusuydu. Yay A* kütlesine sahip kara delik.
Bu sonucun en çarpıcı ve şaşırtıcı yanı ise “dondurulmuş” modelin çok farklı bir tahminde bulunmasıdır. “Dondurulmuş” modele göre, aynı TDE, iki yıllık bir zaman ölçeğinde zirveye ulaşacak bir birikim oranı üretecektir ki bu, hidrodinamik simülasyonların sonuçlarıyla açıkça çelişmektedir.
Bandopadhyay, “Bu, TDE’lerin çalışma şekli ve bir yıldızı tamamen yok ederek ne tür geçici olaylar üretebileceğiniz hakkında daha önce sahip olunan fikirleri alt üst ediyor” diyor. “CN22 modelinin doğruluğunu onaylayarak, bu tür analitik yöntemin, çeşitli kütle ve yaşlara sahip yıldızların bozulmasına yönelik gözlemlenebilir özelliklerin çıkarımını büyük ölçüde hızlandırabileceğinin kanıtını sunuyoruz.”
Çalışmaları aynı zamanda daha önceki başka bir yanlış kanıya da değiniyor. Tam TDE’lerin aylarca süren zaman ölçeklerini aşamayacağını açıklayarak, bunların çok yıllık aralıklarda zirve yapan ve azalan uzun süreli ışık eğrilerini açıklamak için kullanılabileceği yönündeki eski inancı çürütüyorlar. Buna ek olarak Coughlin, bu makalenin en yüksek geri çekilme oranının, bozulan yıldızın kütlesinden ve yaşından etkili bir şekilde bağımsız olduğunu ve neredeyse tamamen SMBH’nin kütlesi tarafından belirlendiğini doğruladığını belirtiyor; bu, CN22 gibi modellerin araştırmacıların kütleleri sınırlamasına yardımcı olabileceğinin önemli bir göstergesi. KOBİ’lerden.
Coughlin, “Yükselme zamanını ölçerseniz, doğrudan bakabileceğiniz şey aslında TDE fiziğinin Kutsal Kasesi olan süper kütleli kara deliğin özelliğidir; kara delik hakkında bir şeyler söylemek için TDE’leri kullanabilmektir” diyor. .
Makalenin bu alandaki etkisini kabul eden Bandopadhyay, Amerikan Astronomi Topluluğu tarafından ekibin bulgularını derneğin 243. toplantısında bir sunum yapmak üzere davet etti.üçüncü 11 Ocak 2024’te New Orleans’ta toplantı.
Ekip, geleceğe bakıldığında, CN22 modelinin doğruluğunu onaylayarak, araştırmacıların TDE’ler hakkında mevcut ve gelecek tespitlere karşı test edilebilecek gözlemlenebilir tahminler yapması için bir pencere açtığını söylüyor. Syracuse’daki araştırmacılar, işbirliği ve yaratıcılık sayesinde kara deliklerin fiziği hakkındaki ayrıntıları gün ışığına çıkarıyor ve uzak evrenin bir zamanlar izlenemeyen alanlarının keşfedilmesine yardımcı oluyor.
Referans: Ananya Bandopadhyay, Julia Fancher, Aluel Athian, Valentino Indelicato, Sarah Kapalanga, Angela Kumah, Daniel A. Paradiso, Matthew Todd, Eric R. Coughlin tarafından yazılan “Gelgit Kesintisi Olaylarından Geri Dönüş Oranının Zirvesi: Yıldız Türüne Bağlılık” ve CJ Nixon, 11 Ocak 2024, Astrofizik Günlük Mektupları.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad0388