XMM-Newton bespioneert zwarte gaten die keer op keer dezelfde sterren opeten

[univers]

Twee teams van astronomen hebben met behulp van ESA's XMM-Newton-ruimtetelescoop herhaaldelijk lichtuitbarstingen waargenomen van inactieve zwarte gaten die sterren keer op keer gedeeltelijk vernietigen. Deze ontdekking is onverwacht, aangezien uitbarstingen van zwarte gaten meestal maar één keer voorkomen wanneer een zwart gat een ster verslindt.

Superzware zwarte gaten bevinden zich in de centra van de meeste sterrenstelsels. Hun massa's variëren van honderdduizenden tot miljarden keren de massa van onze zon. Desondanks zijn zwarte gaten ongrijpbaar, vangen ze licht op en blijven ze moeilijk te detecteren.

Een verborgen superzwaar zwart gat kan worden blootgelegd wanneer een ster er dichtbij komt. De ster wordt door sterke getijdekrachten uit elkaar gescheurd en vormt een schijf van stellair puin waarop het zwarte gat zich voedt. Energetische röntgenstralen, UV, optisch en radiolicht kunnen worden gedetecteerd tijdens dit proces dat bekend staat als een getijdenverstoring.

Niet totaal verwoest
Typische getijdenverstoringen vertonen een heldere uitbarsting van licht, bekend als een fakkel, die een paar maanden duurt waarin het zwarte gat de ster verteert. Er zijn echter twee nieuwe fakkels met eigenaardig gedrag waargenomen door XMM-Newton. Deze fakkels schijnen herhaaldelijk helder in röntgen- en UV-licht na de eerste uitbarsting, wat suggereert dat de sterren niet volledig zijn vernietigd tijdens de eerste ontmoeting met de zwarte gaten.

De studies onder leiding van astronomen Thomas Wevers van de European Southern Observatory en Zhu Liu van het Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Duitsland, onthullen dat een deel van de sterren hun eerste aanval van de zwarte gaten mogelijk heeft overleefd. De röntgen- en UV-gegevens suggereren dat delen van de sterren niet volledig worden opgegeten, hun baan voortzetten en het verstorende zwarte gat opnieuw tegenkomen, wat leidt tot terugkerende fakkels. Deze activiteit wordt een gedeeltelijke getijdenverstoring genoemd.


Superzware zwarte gaten bevinden zich in het centrum van de meeste sterrenstelsels en zijn de bron van enkele van de meest extreme activiteit in het heelal. Hun grote massa's geconcentreerd in kleine volumes leiden tot sterke zwaartekrachten. Deze artistieke impressie toont een ster die in een baan rond een zwart gat wordt getrokken, met gloeiende gevolgen.
Het eerste paneel toont een ster (links) bij het naderen van een zwart gat (rechts). Het zwarte gat trekt de ster dichterbij, en paneel 2 laat zien dat de ster uiteen begint te scheuren door sterke getijdenkrachten. Een stroom oranje materiaal die uit de buitenste lagen van de ster is gescheurd, valt naar het zwarte gat in paneel 3. Deze stroom voedt het zwarte gat en vormt er een schijf van feloranje materiaal omheen, te zien in het vierde paneel. Overgebleven stellair materiaal van de stroom is blauw gekleurd. Dit proces veroorzaakt uitbarstingen van röntgenstralen, UV en optisch licht in een gebeurtenis die bekend staat als een getijdenverstoring.
Doorgaans is er slechts één ontmoeting met het zwarte gat nodig om de ster volledig op te slokken. In zeldzame gevallen overleeft de kern van de ster echter en begint aan een nieuwe elliptische baan van het zwarte gat. Dit is te zien aan de beweging van de gearceerde ster langs verschillende posities in de baan in paneel 4.
De schijf rond het zwarte gat dimt, zoals te zien is in paneel 5. De ster nadert het zwarte gat weer en er komt weer een lichtuitbarsting vrij wanneer het zwarte gat weer materiaal verwijdert van de overlevende kern van de ster. Deze gedeeltelijke getijdenverstoring voegt meer materiaal toe aan de glanzend oranje accretieschijf rond het zwarte gat in het zesde paneel, en de blauwe sporen van de stellaire materiaalstroom blijven bestaan. De lichtere kleur van de accretieschijf, vergeleken met het vierde paneel, geeft aan dat de lichtuitbarstingen zwakker zijn na de eerste ontmoeting met het zwarte gat. Er wordt minder materiaal van de ster in de schijf getrokken, wat leidt tot zwakkere fakkels.

De astronomen vonden herhaalde fakkels van twee afzonderlijke sterrenstelsels met superzware zwarte gaten. Deze sterrenstelsels liggen ver buiten de rand van de Melkweg op afstanden van bijna 900 miljoen lichtjaar en 1 miljard lichtjaar.

Een van de oplichtende gebeurtenissen, genaamd eRASSt J045650.3−203750, werd ontdekt door de röntgentelescoop eROSITA aan boord van de Spectrum-Roentgen-Gamma-missie. XMM-Newton-waarnemingen in 2021 en 2022 door een team onder leiding van Zhu ontdekten dat de oorspronkelijke uitbarsting ongeveer elke 223 dagen werd gevolgd door herhaalde uitbarstingen.

Zhu legt uit: “De resultaten van onze eerste XMM-Newton-waarneming waren verrassend. Het zwarte gat vertoonde een ongewoon drastische verzwakking van het röntgenlicht, vergeleken met toen het twee weken eerder was ontdekt door de eROSITA-telescoop. Vervolgwaarnemingen met XMM-Newton en andere instrumenten bevestigden onze speculaties dat dit gedrag werd veroorzaakt door een gedeeltelijke getijdenverstoring.”

De andere getijdenverstoring, genaamd AT2018fyk, werd ontdekt door de All-Sky Automated Survey for Supernovae. Het scheen helder in UV- en röntgenstralen gedurende minstens 500 dagen, gevolgd door een plotselinge verduistering. In mei 2022 gebruikten Thomas en collega's XMM-Newton om de dramatische toename van röntgenstraling en UV-helderheid 1200 dagen nadat het voor het eerst verscheen te bestuderen.

Terug naar de tekentafel
"In het begin waren we absoluut verbaasd over wat de rebrightening zou kunnen betekenen. We moesten terug naar de tekentafel om alle mogelijke opties te bekijken om het waargenomen gedrag te verklaren. Het was een heel spannend moment toen we ons realiseerden dat het model voor een zich herhalende getijdenverstoring de waargenomen gegevens kon reproduceren”, voegt Thomas toe.

Een video-animatie van de gedeeltelijke getijdenverstoring AT2018fyk toont het model: een zwart gat dat herhaaldelijk een ster vernietigt.



In totaal werden meer dan vijf dagen aan XMM-Newton-waarnemingen gebruikt om de verandering van het röntgenlicht afkomstig van deze bronnen te volgen. De extreem gevoelige European Photon Imaging Camera aan boord van XMM-Newton hielp om het hete materiaal rond de zwarte gaten tot in detail te bestuderen.

William Alston, ESA Research Fellow, legt het belang van de resultaten uit. “Deze nieuwe waarnemingen zijn ontzettend interessant om de invloed van superzware zwarte gaten te bestuderen. Bij typische getijdenverstoringen verwachten we pas over een paar duizend jaar een tweede fakkel. Met de fakkels die zo snel terugkeren, moet de baan van de verstoorde ster dicht bij het superzware zwarte gat zijn gebonden. Deze nieuwe studies suggereren dat de verstoorde ster in een nauwe baan wordt getrokken nadat hij door het centrale superzware zwarte gat van een dubbelstersysteem is weggerukt.”

De teams die de nieuwe ontdekking doen, strekken zich wereldwijd uit - naast XMM-Newton en eROSITA omvatten de studies andere missies, waaronder NASA's Neil Gehrels Swift Observatory, de Australia Telescope Compact Array (ATCA) en de Neutron Star Interior Composition Explorer Mission payload op de internationale Ruimtestation. Dankzij samenwerkingen konden deze ongekende kosmische gebeurtenissen tot in de kleinste details worden waargenomen, gemodelleerd en begrepen.


ESA's XMM-Newton is de meest gevoelige röntgentelescoop ooit gebouwd. Het hoogtechnologische ontwerp maakt gebruik van meer dan 170 flinterdunne cilindrische spiegels verspreid over drie telescopen.
Zijn baan brengt hem bijna een derde van de weg naar de maan, zodat astronomen kunnen genieten van lange, ononderbroken beelden van hemellichamen.
Dit unieke röntgenobservatorium werd op 10 december 1999 door Ariane 5 gelanceerd vanaf de Europese ruimtehaven in Kourou in Frans-Guyana. Het ontleent zijn naam aan het ontwerp met meerdere röntgenspiegels en eert Sir Isaac Newton.

Meestal donker en stil
Sommige sterrenstelsels zijn constant actief en zenden fakkels uit terwijl het superzware zwarte gat voortdurend gasvormige materie in zijn baan trekt. De twee nieuwe gebeurtenissen die door XMM-Newton zijn waargenomen, zijn echter afkomstig van zwarte gaten die meestal donker en stil liggen, totdat er een ster nadert. Deze gebeurtenissen zijn de eerste keer dat herhaalde uitbarstingen van licht zijn gedetecteerd van inactieve sterrenstelsels. De resultaten van deze onderzoeken zijn gepubliceerd in twee artikelen in Astronomy & Astrophysics en The Astrophysical Journal Letters .

Sinds hun ontdekking in de jaren negentig zijn er bijna 100 getijdenverstoringen waargenomen. XMM-Newton-waarnemingen van getijdenverstoringen zijn van vitaal belang om meer te begrijpen over de anders moeilijk waar te nemen superzware zwarte gaten die zich in het centrum van grote sterrenstelsels zoals het onze bevinden.

Beide gedeeltelijke getijdenverstoringen zullen nauwlettend worden gevolgd tijdens de voorspelde perioden van toekomstige perioden van opheldering om de bevindingen te bevestigen en verdere ontdekkingen te doen. Waarnemers kunnen met stilte worden geconfronteerd, wat aangeeft dat de ster in zijn geheel is opgeslokt in de vorige affakkelaflevering. Turbulente tijden liggen in het verschiet voor deze gebeurtenissen - en de jacht begint soortgelijke gedeeltelijke getijdenverstoringen te vinden.

https://www.esa.int/Science_Exploration ... _and_again