Gezeitenstörungsereignisse und was sie über Schwarze Löcher und Sterne in fernen Galaxien verraten können

Im Zentrum der meisten großen Galaxien lebt ein supermassereiches Schwarzes Loch (SMBH). In der Milchstraße gibt es Sagittarius A*, einen größtenteils ruhenden SMBH, dessen Masse etwa 4,3 Millionen Mal so groß ist wie die unserer Sonne. Aber wenn man tiefer in das Universum blickt, gibt es weitaus größere SMBHs mit Massen, die bis zu mehreren zehn Milliarden Mal die Masse unserer Sonne erreichen können.

Schwarze Löcher nehmen an Masse zu, indem sie Objekte in ihrer unmittelbaren Umgebung, einschließlich Sterne, gravitativ verzehren. Es ist ein katastrophales und zerstörerisches Ende für Sterne, die das Pech haben, von SMBHs verschluckt zu werden, aber auch ein Glücksfall für Wissenschaftler, die nun die Gelegenheit haben, ansonsten ruhende Zentren von Galaxien zu untersuchen.

TDEs weisen den Weg

Wie der Name schon sagt, emittieren Schwarze Löcher kein eigenes Licht, was ihre Beobachtung für Forscher sehr schwierig macht. Aber wenn ein Stern einem supermassiven Schwarzen Loch ausreichend nahe kommt, kann er durch das immense Gezeitengravitationsfeld des Schwarzen Lochs durch eine Wechselwirkung zerstört werden, die im Grunde ein extremes Beispiel der Gezeitenwechselwirkung der Erde mit dem Mond ist.

Ein Teil der durch die Gezeiten zerstörten Materie fällt in das Schwarze Loch und erzeugt dabei eine sehr heiße, sehr helle Materialscheibe. Dieser als Tidal Disruption Event (TDE) bekannte Prozess stellt eine Lichtquelle bereit, die mit leistungsstarken Teleskopen beobachtet und von Wissenschaftlern analysiert werden kann.

TDEs sind relativ selten – Schätzungen zufolge treten sie in einer bestimmten Galaxie etwa alle 10.000 bis 100.000 Jahre auf. In der Regel werden jährlich ein bis zwei Dutzend TDEs entdeckt, aber mit der Einführung neuer Technologien wie dem Vera C. Rubin-Observatorium, das derzeit in Chile gebaut wird, wird erwartet, dass in den kommenden Jahren Hunderte beobachtet werden.

Diese leistungsstarken Observatorien scannen den Nachthimmel nach auf- und absteigenden Lichtquellen und „durchsuchen“ so den Kosmos nach zeitveränderlichen astronomischen Phänomenen. Mithilfe dieser Untersuchungen können Astrophysiker Studien zu TDEs durchführen, um die Eigenschaften von SMBHs und den Sternen, die sie zerstören, abzuschätzen.

Forscher versuchen unter anderem die Masse des Sterns und des SMBH zu verstehen. Während ein Modell schon recht oft verwendet wurde, wurde kürzlich ein neues entwickelt und wird derzeit getestet.

Das Aufkommen analytischer Modelle

Die Akkretionsrate – oder die Rate, mit der das Sternmaterial eines Sterns während einer TDE auf das SMBH zurückfällt – verrät wichtige Signaturen von Sternen und SMBHs, wie zum Beispiel ihre Massen. Die genaueste Möglichkeit, dies zu berechnen, ist eine numerische hydrodynamische Simulation, bei der ein Computer die Gasdynamik des durch Gezeiten zerstörten Materials aus einem TDE analysiert, während es auf das Schwarze Loch regnet. Diese Technik ist zwar präzise, ​​aber teuer und es kann Wochen bis Monate dauern, bis Forscher einen TDE berechnen.

In den letzten Jahrzehnten haben Physiker analytische Modelle zur Berechnung der Akkretionsrate entwickelt. Diese Modelle stellen eine effiziente und kostengünstige Methode zum Verständnis der Eigenschaften zerstörter Sterne und Schwarzer Löcher dar, es bestehen jedoch weiterhin Unsicherheiten hinsichtlich der Genauigkeit ihrer Näherungen.

Derzeit gibt es eine Handvoll analytischer Modelle, wobei das vielleicht bekannteste die „eingefrorene“ Näherung ist; Dieser Name leitet sich von der Tatsache ab, dass die Umlaufzeit der Trümmer, die auf das Schwarze Loch regnet, in einer bestimmten Entfernung vom Schwarzen Loch, dem sogenannten Gezeitenradius, festgelegt oder „eingefroren“ wird.

Dieses 1982 von Lacy, Townes und Hollenbach vorgeschlagene und 2009 von Lodato, King und Pringle erweiterte Modell legt nahe, dass die Akkretionsrate massereicher Sterne auf einer Zeitskala ihren Höhepunkt erreicht, die je nach Masse zwischen einem und zehn Jahren liegen kann der Stern. Das heißt, wenn Sie in den Nachthimmel schauen, kann eine Quelle zunächst heller werden, ihren Höhepunkt erreichen und im Laufe der Zeit über Jahre hinweg abnehmen.

Ein neuer Weg nach vorn

Eric Coughlin, Physikprofessor an der Syracuse University, und Chris Nixon, außerordentlicher Professor für theoretische Astrophysik an der University of Leeds, schlugen 2022 ein neues Modell vor, das einfach als bezeichnet wird CN22 Modell, das die Spitzenzeitskala für TDEs als Funktion der Eigenschaften des Sterns und der Masse des Schwarzen Lochs bestimmt.

Aus diesem neuen Modell ermittelten sie TDE-Spitzenzeitskalen und Akkretionsraten, die mit den Ergebnissen einiger hydrodynamischer Simulationen übereinstimmten, aber auch die umfassenderen Implikationen dieses Modells – und auch seine Vorhersagen über einen größeren Bereich von Sterntypen, einschließlich der Masse und des Alters des Sterns Stern – wurden nicht vollständig geklärt.

Um die Vorhersagen dieses Modells in einem größeren Kontext besser zu charakterisieren und zu verstehen, hat ein Forscherteam der Syracuse University unter der Leitung von Ananya Bandopadhyay, einer Ph.D. Student am Fachbereich Physik führte eine Studie durch, um die Auswirkungen des CN22-Modells zu analysieren und es anhand verschiedener Arten von Sternen und SMBHs verschiedener Massen zu testen.

Die Arbeit des Teams wurde in veröffentlicht Astrophysikalische Tagebuchbriefe. Zu den Co-Autoren gehörten neben dem Hauptautor Bandopadhyay auch Coughlin, Nixon, Studenten und Doktoranden der Fakultät für Physik sowie Studenten des Syracuse City School District (SCSD).

Die Beteiligung der SCSD-Studenten wurde durch das Syracuse University Research in Physics (SURPh)-Programm ermöglicht, ein sechswöchiges bezahltes Praktikum, bei dem lokale Highschooler gemeinsam mit Lehrkräften und Studenten der Fakultät für Kunst und Wissenschaft Spitzenforschung betreiben Physik.

In den Sommern 2022 und 2023 arbeiteten die SCSD-Studenten mit Physikern aus Syracuse an Rechenprojekten zusammen, die die Gültigkeit des CN22-Modells testeten. Sie verwendeten einen Sternentwicklungscode namens „Modules for Experiments in Stellar Astrophysics“, um die Entwicklung von Sternen zu untersuchen.

Anhand dieser Profile verglichen sie dann die Akkretionsratenvorhersagen für eine Reihe von Sternmassen und -altern für die „eingefrorene“ Näherung und das CN22-Modell. Sie führten außerdem numerische hydrodynamische Simulationen der Zerstörung eines sonnenähnlichen Sterns durch ein supermassereiches Schwarzes Loch durch, um die Modellvorhersagen mit der numerisch ermittelten Akkretionsrate zu vergleichen.

Ihre Erkenntnisse

Laut Bandopadhyay stellte das Team fest, dass das CN22-Modell äußerst gut mit den hydrodynamischen Simulationen übereinstimmte. Darüber hinaus und vielleicht am tiefgreifendsten war die Feststellung, dass die Spitzenzeitskala der Akkretionsrate in einem TDE sehr unempfindlich gegenüber den Eigenschaften (Masse und Alter) des zerstörten Sterns ist und bei einem Stern wie unserer durch einen zerstörten Sonne etwa 50 Tage beträgt Schwarzes Loch mit der Masse von Sagitarrius A*.

Das Auffälligste und Überraschendste an diesem Ergebnis ist, dass das „eingefrorene“ Modell eine ganz andere Vorhersage macht. Nach dem „eingefrorenen“ Modell würde die gleiche TDE eine Akkretionsrate erzeugen, die ihren Höhepunkt auf einer Zeitskala von zwei Jahren erreichen würde, was in eklatantem Widerspruch zu den Ergebnissen hydrodynamischer Simulationen steht.

„Dies stellt bisherige Vorstellungen darüber auf den Kopf, wie TDEs funktionieren und welche Arten von Transienten man möglicherweise erzeugen könnte, wenn man einen Stern völlig zerstört“, sagt Bandopadhyay. „Durch die Bestätigung der Genauigkeit des CN22-Modells liefern wir den Beweis, dass diese Art von Analysemethode die Schlussfolgerung beobachtbarer Eigenschaften für die Störung von Sternen mit unterschiedlichen Massen und Altersgruppen erheblich beschleunigen kann.“

Ihre Studie räumt auch mit einem weiteren früheren Missverständnis auf. Indem sie klarstellen, dass vollständige TDEs monatelange Zeitskalen nicht überschreiten dürfen, widerlegen sie die frühere Annahme, dass sie zur Erklärung lang anhaltender Lichtkurven verwendet werden können, deren Höhepunkt und Abklingen über Zeiträume von mehreren Jahren erfolgt.

Darüber hinaus stellt Coughlin fest, dass dieses Papier bestätigt, dass die Peak-Rückfallrate praktisch unabhängig von der Masse und dem Alter des zerstörten Sterns ist und fast vollständig von der Masse des SMBH bestimmt wird, einem Schlüsselindikator, den Modelle wie CN22 den Forschern dabei helfen können, die Massen einzuschränken SMBHs.

„Wenn man die Anstiegszeit misst, könnte man direkt in die Eigenschaft des supermassiven Schwarzen Lochs blicken, die den Heiligen Gral der TDE-Physik darstellt – die Möglichkeit, mithilfe von TDEs etwas über das Schwarze Loch zu sagen“, sagt Coughlin .

Bandopadhyay erkannte den Einfluss der Arbeit auf diesem Gebiet an und wurde von der American Astronomical Society eingeladen, die Ergebnisse des Teams bei der Gesellschaft vorzustellen 243. Sitzung in New Orleans am 11. Januar 2024.

Mit Blick auf die Zukunft sagt das Team, dass diese Studie durch die Bestätigung der Genauigkeit des CN22-Modells den Forschern ein Fenster öffnet, um beobachtbare Vorhersagen über TDEs zu treffen, die anhand bestehender und bevorstehender Nachweise getestet werden können. Durch Zusammenarbeit und Einfallsreichtum bringen Forscher in Syracuse Details über die Physik von Schwarzen Löchern ans Licht und helfen dabei, Bereiche des fernen Universums zu erforschen, die einst nicht auffindbar waren.