Επιστήμονες μελετούν το φαινόμενο του «ξαφνικού θανάτου» των αστεριών όταν προσεγγίζουν μαύρες τρύπες
Το Σύμπαν είναι ένα βίαιο μέρος, όπου ακόμη και η ζωή ενός αστεριού μπορεί να κοπεί. Αυτό συμβαίνει όταν βρεθεί σε μια «κακή» γειτονιά, και συγκεκριμένα στη γειτονιά μιας τεράστιας μαύρης τρύπας. Αυτές οι μαύρες τρύπες έχουν εκατομμύρια, έως δισεκατομμύρια, τη μάζα του Ήλιου και βρίσκονται στα κέντρα γαλαξιών. Καθώς το αστέρι κινείται κοντά στη μαύρη τρύπα, αρχίζει να υφίσταται τη συνεχώς αυξανόμενη βαρύτητά της, έως ότου αυτή η βαρύτητα γίνει πιο ισχυρή από τις δυνάμεις που κρατούν το αστέρι ενωμένο. Το αστέρι τότε θα καταστραφεί και το αέριό του θα καταβροχθιστεί, εν μέρει, από τη μαύρη τρύπα.
Image credit: Jenni Jormanainen
In a tidal disruption event (TDE), a star finds itself too close to a supermassive black hole whose gravity starts to deform the star (panel 1) until it is destroyed. The gas of the disrupted star follows an elliptical path on its way to the black hole (panel 2). The flowing gas forms shocks near the pericenter of its orbit and the apocenter where it collides with itself (panel 3). The shocks are bright in optical and ultraviolet wavelengths, and make the light polarized. As time passes, the gas slowly circularizes (panel 4) and forms an accretion disk through which the stellar gas can finally be consumed by the black hole.
Σε ένα γεγονός παλιρροϊκής διαταραχής (TDE), ένα αστέρι θα βρεθεί πολύ κοντά σε μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα η βαρύτητα της οποίας θα το παραμορφώσει (1) μέχρι να το καταστρέψει. Το αέριο από το αστέρι ακολουθεί ελλειπτική τροχιά στον δρόμο του προς τη μαύρη τρύπα (2). Όπως ρέει το αέριο, συγκρούεται με τον εαυτό του και σχηματίζει κύματα shock κοντά στο περίκεντρο και στο απόκεντρο της τροχιάς του (3). Τα κύματα shock είναι φωτεινά στο οπτικό και υπεριώδες μέρος του φάσματος, και κάνουν το φως πολωμένο. Καθώς εξελίσσεται το φαινόμενο, η τροχιά του αερίου γίνεται όλο και πιο κυκλική (4), και εν τέλει σχηματίζεται ένας δίσκος προσαύξησης μέσω του οποίου το αστρικό αέριο μπορεί τελικά να καταναλωθεί από τη μαύρη τρύπα.
Αυτοί οι ξαφνικοί θάνατοι αστεριών ονομάζονται Γεγονότα Παλιρροϊκών Διαταραχών (Tidal Disruption Events – TDE). Μετά τον θάνατο του άστρου, το αέριό του θα σχηματίσει έναν δίσκο προσαύξησης στον δρόμο του προς τη μαύρη τρύπα. Αυτό οδηγεί σε μια έκλαμψη που φαίνεται συνήθως στο οπτικό και υπεριώδες φάσμα, καθώς και στις ακτίνες Χ, αλλά μερικές φορές ακόμη και στο ραδιοφωνικό μέρος του φάσματος και στις ακτίνες γ. Μέχρι πρόσφατα υπήρχαν μόνο λίγα TDE γνωστά. Όχι επειδή είναι σπάνια, αλλά επειδή δεν υπήρχαν πολλά πειράματα ικανά να τα ανιχνεύσουν. Τα τελευταία χρόνια αυτό έχει αλλάξει, δίνοντας στους επιστήμονες τα απαραίτητα εργαλεία για να αρχίσουν να καταλαβαίνουν πώς συμπεριφέρεται η ύλη σε πολύ κοντινή απόσταση από μια μαύρη τρύπα.
Αυτό όμως έχει οδηγήσει σε περισσότερες ερωτήσεις παρά απαντήσεις. Παρατηρήσεις από πειράματα με οπτικά τηλεσκόπια αποκάλυψαν ότι ένας μεγάλος αριθμός αυτών των TDE δεν παράγει ακτίνες Χ. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με ό,τι πίστευαν μέχρι στιγμής οι επιστήμονες για τα TDEs. Το κυρίαρχο μοντέλο θέλει τον γρήγορο σχηματισμό ενός δίσκου προσαύξησης, ιδιαίτερα φωτεινού στις ακτίνες Χ αμέσως μόλις το αστέρι καταστραφεί.
Η πόλωση του φωτός μπορεί να είναι το κλειδί για την επίλυση αυτού του μυστηρίου. Μια διεθνής ομάδα αστρονόμων που περιλαμβάνει μέλη από το Ινστιτούτο Αστροφυσικής (IA) του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ) και το Πανεπιστήμιο Κρήτης, δημοσίευσε μια μελέτη στο περιοδικό Science που υποστηρίζει ότι για τα TDE χωρίς ακτίνες Χ, ο σχηματισμός του δίσκου προσαύξησης δεν είναι γρήγορος. Αντ’ αυτού, παλιρροϊκά κύματα σοκ σχηματίζονται καθώς το αέριο από το αστέρι ρέει γύρω από τη μαύρη τρύπα. Αυτά τα κύματα σοκ είναι φωτεινά στο οπτικό και το υπεριώδες φως που συνθέτουν αυτό που παρατηρούν τα τηλεσκόπιά μας ως το TDE. Ο δίσκος προσαύξησης δημιουργείται αργότερα.
«Η πόλωση του φωτός μπορεί να προσφέρει μοναδικές πληροφορίες για τις διεργασίες σε αυτά τα αστροφυσικά συστήματα», λέει ο Γιάννης Λιοδάκης, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, αστρονόμος στο Finnish Centre for Astronomy with ESO (FINCA) και απόφοιτος του Πανεπιστημίου Κρήτης. «Το πολωμένο φως που μετρήσαμε από το TDE θα μπορούσε να εξηγηθεί μόνο αν βλέπαμε αυτά τα παλιρροϊκά κύματα σοκ».
Η ομάδα έλαβε την είδηση στα τέλη του 2020 από τον δορυφόρο Gaia για ένα καινούργιο TDE σε έναν κοντινό γαλαξία που ονομάζεται AT2020mot. Στη συνέχεια, το AT2020mot παρατηρήθηκε σε ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος από το ραδιοφωνικό έως και τις ακτίνες Χ με πολλά διαφορετικά τηλεσκόπια.
Ιδιαίτερα σημαντικές ήταν οι παρατηρήσεις στην πόλωση στο οπτικό φάσμα που πραγματοποιήθηκαν στο αστεροσκοπείο του Σκίνακα με τη χρήση του μοναδικού πολωσίμετρου RoboPol, που κατέστησαν δυνατή αυτή την ανακάλυψη. «Το πολωσίμετρο RoboPol στο αστεροσκοπείο του Σκίνακα ήταν πραγματικά ο ακρογωνιαίος λίθος των μελετών μας προσπαθώντας να κατανοήσουμε τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες», δήλωσε ο Νίκος Μανδαράκας, διδάκτορας φοιτητής στο ΙΑ και το Πανεπιστήμιο Κρήτης που ηγήθηκε των παρατηρήσεων και της ανάλυσης των δεδομένων με το RoboPol.
Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι το οπτικό φως που προερχόταν από το AT2020mot, ήταν πολύ πολωμένο και η πόλωσή του άλλαζε με το χρόνο. Παρά τις πολλές προσπάθειες, κανένα από τα τηλεσκόπια ραδιοφωνικού ή ακτίνων Χ δεν μπόρεσε να ανιχνεύσει το TDE πριν, κατά τη διάρκεια ή ακόμη και μήνες μετά την κορύφωσή του. Συνδυάζοντας όλες αυτές τις πληροφορίες και έπειτα από σύγκριση των παρατηρήσεων με θεωρητικά μοντέλα, η ομάδα των αστρονόμων συνειδητοποίησε ότι τα δεδομένα ταίριαζαν περισσότερο με το σενάριο όπου το αστρικό αέριο συγκρούεται με τον εαυτό του καθώς περιστρέφεται γύρω από τη μαύρη τρύπα και σχηματίζει κύματα σοκ στο περίκεντρο και το απόκεντρο της τροχιάς. Τα κύματα σοκ ενισχύουν και διατάσσουν το μαγνητικό πεδίο στο αστρικό αέριο που οδηγεί σε εξαιρετικά πολωμένο φως. Το επίπεδο της οπτικής πόλωσης ήταν πολύ υψηλό και το γεγονός ότι άλλαζε με την πάροδο του χρόνου το έκανε πολύ δύσκολο για να εξηγηθεί από τα περισσότερα μοντέλα.
Στην έρευνα συμμετείχαν επίσης ο Ντμίτρι Μπλίνοφ, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Iνστιτούτο Αστροφυσικής και ο Κώστας Κουρουμπατζάκης ως διδάκτορας του Πανεπιστημίου Κρήτης κατά τη διάρκεια των παρατηρήσεων, ο οποίος είναι πλέον μεταδιδακτορικός υπότροφος στο Αστρονομικό Ινστιτούτο της Τσεχικής Ακαδημίας Επιστημών.
Οι επιστήμονες θα συνεχίσουν να παρατηρούν το πολωμένο φως που προέρχεται από τα TDE και μπορεί σύντομα να ανακαλύψουν περισσότερα για το τι συμβαίνει μετά τη δολοφονία ενός αστεριού.
Η δημοσίευση στο Science: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj9570
