Nuove osservazioni di un buco nero che divora una stella rivelano una rapida formazione del disco di accrescimento


La simulazione al computer della perturbazione di una stella da parte di un buco nero mostra la formazione di un disco di accrescimento eccentrico di materiale stellare a spirale nel buco nero. Questa immagine da un video della simulazione mostra lo stadio iniziale della formazione del disco.

Quando una stella passa troppo vicino a un buco nero supermassiccio, le forze di marea la lacerano, producendo un chiaro lampo di radiazioni quando il materiale proveniente dalla stella cade nel buco nero. Gli astronomi studiano la luce di questi “eventi di interruzione delle maree” (TDE) per trovare indizi sul comportamento di alimentazione dei buchi neri supermassicci in agguato al centro delle galassie.


Nuove osservazioni TDE condotte dagli astronomi della UC Santa Cruz forniscono ora una chiara evidenza che i detriti della stella formano un disco rotante, chiamato disco di accrescimento, intorno al buco nero. I teorici hanno discusso se un disco di accrescimento possa formarsi in modo efficiente durante un evento di perturbazione di marea, e le nuove scoperte, accettate per la pubblicazione sull’Astrophysical Journal e disponibili online, dovrebbero aiutare a risolvere la questione, ha detto il primo autore Tiara Hung, un ricercatore post-dottorato alla UC Santa Cruz.

“Nella teoria classica, il flare TDE è alimentato da un disco di accrescimento, che produce raggi X dalla regione interna dove il gas caldo si diffonde a spirale nel buco nero”, ha detto Hung. “Ma per la maggior parte delle TDE, non vediamo i raggi X – per lo più brillano nelle lunghezze d’onda ultraviolette e ottiche – così è stato suggerito che, invece di un disco, stiamo vedendo emissioni dalla collisione di flussi di detriti stellari”.

I coautori Enrico Ramirez-Ruiz, professore di astronomia e astrofisica alla UCSC, e Jane Dai dell’Università di Hong Kong hanno sviluppato un modello teorico, pubblicato nel 2018, che può spiegare perché i raggi X non vengono solitamente osservati nelle TDE nonostante la formazione di un disco di accrescimento.

Le nuove osservazioni forniscono un forte supporto a questo modello.

“Questa è la prima solida conferma che i dischi di accrescimento si formano in questi eventi, anche quando non vediamo i raggi X”, ha detto Ramirez-Ruiz.

“La regione vicino al buco nero è oscurata da un vento otticamente denso, quindi non vediamo le emissioni di raggi X, ma vediamo la luce ottica di un disco ellittico esteso”.

Prove evidenti

La prova rivelatrice di un disco di accrescimento proviene da osservazioni spettroscopiche. Il coach Ryan Foley, assistente professore di astronomia e astrofisica alla UCSC, e il suo team hanno iniziato a monitorare il TDE (denominato AT 2018hyz) dopo che è stato rilevato per la prima volta nel novembre 2018 dall’All Sky Automated Survey for SuperNovae (ASAS-SN). Foley ha notato uno spettro insolito mentre osservava il TDE con il telescopio Shane da 3 metri all’Osservatorio Lick dell’UC la notte del 1 gennaio 2019.

In questo diagramma schematico è mostrato un modello di emissione ultravioletta e ottica dell’evento di perturbazione di marea AT 2018hyz. Quando un disco di accrescimento si forma rapidamente dopo la TDE, genera un’emissione di raggi X (frecce nere) a piccoli raggi, che è visibile solo attraverso l’imbuto verticale. In altre direzioni, i raggi X vengono rielaborati dalla fotosfera o dal vento, alimentando le emissioni ultraviolette e ottiche. L’emissione di idrogeno è prodotta in due siti distinti al di fuori della fotosfera: un grande disco ellittico (codificato a colori dalla velocità per mostrare la rotazione) unito dal materiale di ripiego, e un’ampia regione della linea di emissione (BLR) che è probabilmente creata da un vento guidato dalle radiazioni (zona d’ombra viola).

“Sono rimasto stupefatto e ho capito subito che sarebbe stato interessante”, ha detto. “Ciò che spiccava era la linea dell’idrogeno – l’emissione di gas di idrogeno – che aveva un profilo a doppia punta che era diverso da qualsiasi altro TDE che avevamo visto”.

Foley ha spiegato che il doppio picco nello spettro deriva dall’effetto Doppler, che sposta la frequenza della luce emessa da un oggetto in movimento. In un disco di accrescimento a spirale attorno ad un buco nero e visto ad angolo, parte del materiale si muoverà verso l’osservatore, quindi la luce che emette sarà spostata ad una frequenza più alta, e parte del materiale si allontanerà dall’osservatore, la sua luce sarà spostata ad una frequenza più bassa.

“È lo stesso effetto che fa sì che il suono di un’auto su una pista da corsa si sposti da una tonalità alta quando l’auto viene verso di te a una tonalità più bassa quando passa e inizia ad allontanarsi da te”, ha detto Foley. “Se sei seduto in tribuna, le auto su un turno si muovono tutte verso di te e le auto sull’altro turno si allontanano da te”. In un disco di accrescimento, il gas si muove intorno al buco nero in modo simile, ed è questo che dà i due picchi dello spettro”.

Il team ha continuato a raccogliere dati nei mesi successivi, osservando il TDE con diversi telescopi mentre si evolveva nel tempo. Hung ha condotto un’analisi dettagliata dei dati, che indica che la formazione del disco è avvenuta in modo relativamente rapido, nel giro di poche settimane dopo la perturbazione della stella. I risultati suggeriscono che la formazione del disco può essere comune tra le TDE rilevate otticamente nonostante la rarità dell’emissione a doppia punta, che dipende da fattori come l’inclinazione del disco rispetto agli osservatori.

La simulazione al computer della perturbazione di una stella da parte di un buco nero mostra la formazione di un disco di accrescimento eccentrico di materiale stellare a spirale nel buco nero.

“Penso che siamo stati fortunati con questo oggetto”, ha detto Ramirez-Ruiz. “Le nostre simulazioni mostrano che ciò che osserviamo è molto sensibile all’inclinazione. C’è un orientamento preferito per vedere queste caratteristiche a doppio picco, e un diverso orientamento per vedere le emissioni di raggi X”.

Ha osservato che l’analisi di Hung delle osservazioni di follow-up a più lunghezze d’onda, compresi i dati fotometrici e spettroscopici, fornisce una visione senza precedenti di questi eventi insoliti.

“Quando abbiamo gli spettri, possiamo imparare molto sulla cinematica del gas e ottenere una comprensione molto più chiara del processo di accrescimento e di ciò che alimenta le emissioni”, ha detto Ramirez-Ruiz.

Oltre a Hung, Foley, Ramirez-Ruiz e altri membri del team UCSC, i coautori del documento includono anche scienziati del Niels Bohr Institute di Copenhagen (dove Ramirez-Ruiz ha una cattedra Niels Bohr), dell’Università di Hong Kong, dell’Università di Melbourne, Australia, del Carnegie Institution for Science e dello Space Telescope Science Institute.

Le osservazioni sono state ottenute presso l’Osservatorio Lick, l’Osservatorio W. M. Keck, il telescopio Southern Astrophysical Research (SOAR) e il telescopio Swope presso l’Osservatorio Las Campanas in Cile. Questo lavoro è stato sostenuto in parte dalla National Science Foundation, dalla Gordon and Betty Moore Foundation, dalla David and Lucile Packard Foundation e dalla Heising-Simons Foundation.

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