Sterverscheurende zwarte gaten zijn overal aan de hemel als je maar weet hoe je ze moet zoeken. Dat is de boodschap van een nieuwe studie van MIT-wetenschappers die vandaag verschijnt in Astrophysical Journal. De auteurs van het onderzoek melden de ontdekking van 18 nieuwe verstoringen door getijden (TDE's), extreme gevallen waarbij een ster in de buurt door getijden in een zwart gat wordt getrokken en aan stukken wordt gescheurd. Terwijl het zwarte gat zich tegoed doet, geeft het een enorme energie-uitbarsting af in het hele elektromagnetische spectrum.
Astronomen hebben eerdere verstoringen door getijden ontdekt door te zoeken naar karakteristieke uitbarstingen in de optische en röntgenbanden. Tot nu toe hebben deze zoekacties ongeveer een dozijn sterrenversnipperende gebeurtenissen in het nabije heelal aan het licht gebracht. De nieuwe TDE's van het MIT-team verdubbelen de catalogus van bekende TDE's in het heelal. De onderzoekers ontdekten deze voorheen "verborgen" gebeurtenissen door in een onconventionele band te kijken: infrarood. Naast optische en röntgenuitbarstingen kunnen TDE's ook infrarode straling genereren, vooral in "stoffige" sterrenstelsels, waar een centraal zwart gat omgeven is door galactisch puin. Het stof in deze sterrenstelsels absorbeert en verduistert normaal gesproken optisch en röntgenlicht en elk teken van TDE's in deze banden. Tijdens dit proces warmt het stof ook op, waardoor infrarode straling wordt geproduceerd die kan worden waargenomen. Het team ontdekte dat infraroodstraling daarom kan dienen als een teken van een verstoring door getijden.
Door in de infraroodband te kijken, ontdekte het MIT-team veel meer TDE's in sterrenstelsels waar zulke gebeurtenissen eerder verborgen waren. De 18 nieuwe gebeurtenissen vonden plaats in verschillende soorten sterrenstelsels, verspreid over de hemel. "De meerderheid van deze bronnen is niet te zien in optische banden," zegt hoofdauteur Megan Masterson, een promovendus aan het Kavli Instituut voor Astrofysica en Ruimteonderzoek van het MIT. "Als je TDE's als geheel wilt begrijpen en ze wilt gebruiken om de demografie van superzware zwarte gaten te onderzoeken, moet je in het infrarood kijken."
Andere auteurs bij MIT zijn Kishalay De, Christos Panagiotou, Anna-Christina Eilers, Danielle Frostig en Robert Simcoe, en Erin Kara, assistent-professor natuurkunde bij MIT, samen met medewerkers van meerdere instellingen, waaronder het Max Planck Instituut voor Buitenaardse Fysica in Duitsland.
Warmte piek
Het team heeft onlangs de dichtstbijzijnde TDE tot nu toe ontdekt door infraroodwaarnemingen te doen. De ontdekking opende een nieuwe, infrarood-gebaseerde route waarmee astronomen kunnen zoeken naar actief voedende zwarte gaten. Die eerste ontdekking zette de groep aan om op zoek te gaan naar meer TDE's. Voor hun nieuwe studie doorzochten de onderzoekers archiefwaarnemingen van NEOWISE, de vernieuwde versie van NASA's Wide-field Infrared Survey Explorer. Deze satelliettelescoop werd in 2009 gelanceerd en is na een korte onderbreking doorgegaan met het scannen van de hele hemel naar infrarode "transiënten", of korte uitbarstingen.
Die eerste detectie zette de groep aan om op zoek te gaan naar meer TDE's. Voor hun nieuwe studie doorzochten de onderzoekers archiefwaarnemingen van NEOWISE, de vernieuwde versie van NASA's Wide-field Infrared Survey Explorer. Deze satelliettelescoop werd in 2009 gelanceerd en is na een korte onderbreking doorgegaan met het scannen van de hele hemel naar infrarode "transiënten", of korte uitbarstingen. Het team bekeek de gearchiveerde waarnemingen van de missie met behulp van een algoritme dat is ontwikkeld door co-auteur Kishalay De. Dit algoritme pikt patronen op in infrarode emissies die waarschijnlijk tekenen zijn van een kortstondige uitbarsting van infrarode straling. Het team vergeleek vervolgens de gemarkeerde transiënten met een catalogus van alle bekende nabije sterrenstelsels binnen 200 megaparsec, oftewel 600 miljoen lichtjaar. Ze ontdekten dat infraroodtransiënten konden worden getraceerd naar ongeveer 1000 sterrenstelsels.
Vervolgens zoomden ze in op het signaal van de infrarode uitbarsting van elk sterrenstelsel om te bepalen of het signaal afkomstig was van een andere bron dan een TDE, zoals een actieve galactische kern of een supernova. Nadat deze mogelijkheden waren uitgesloten, analyseerde het team de overgebleven signalen, op zoek naar een infraroodpatroon dat kenmerkend is voor een TDE, namelijk een scherpe piek gevolgd door een geleidelijke dip, die het proces weerspiegelt waarbij een zwart gat, door een ster te verscheuren, het omringende stof plotseling verhit tot ongeveer 1000 kelvin, voordat het geleidelijk afkoelt.
Deze analyse onthulde 18 "schone" signalen van verstoringen door getijden. De onderzoekers onderzochten de sterrenstelsels waarin elke TDE was gevonden en zagen dat ze voorkwamen in een reeks stelsels, waaronder stoffige sterrenstelsels, aan de hele hemel. "Als je naar de hemel zou kijken en een heleboel sterrenstelsels zou zien, dan zouden de TDE's in alle stelsels representatief zijn," zegt Masteron. "Het is niet zo dat ze alleen voorkomen in één type sterrenstelsel, zoals mensen dachten op basis van alleen optische en röntgenonderzoeken." "Het is nu mogelijk om door het stof heen te gluren en de telling van nabije TDE's te voltooien," zegt Edo Berger, hoogleraar astronomie aan Harvard University, die niet betrokken was bij het onderzoek. "Een bijzonder opwindend aspect van dit werk is het potentieel van vervolgstudies met grote infraroodonderzoeken, en ik ben enthousiast om te zien welke ontdekkingen deze zullen opleveren."
Een stoffige oplossing
De ontdekkingen van het team helpen bij het oplossen van een aantal belangrijke vragen in het onderzoek naar verstoringen door getijden. Vóór dit werk hadden astronomen bijvoorbeeld meestal TDE's gezien in één type sterrenstelsel - een 'post-starburst'-stelsel dat vroeger een stervormingsfabriek was, maar sindsdien tot rust is gekomen. Dit type sterrenstelsel is zeldzaam en sterrenkundigen vroegen zich af waarom TDE's alleen in deze zeldzamere stelsels leken op te duiken. Het toeval wil dat deze stelsels ook relatief stofarm zijn, waardoor de optische of röntgenstraling van een TDE natuurlijk makkelijker te detecteren is. Door nu in het infrarood te kijken, kunnen sterrenkundigen TDE's in veel meer sterrenstelsels zien. De nieuwe resultaten van het team laten zien dat zwarte gaten sterren kunnen verslinden in allerlei sterrenstelsels, niet alleen in stelsels na een sterrensprong.
De bevindingen lossen ook een "ontbrekende energie"-probleem op. Natuurkundigen hebben theoretisch voorspeld dat TDE's meer energie zouden moeten uitstralen dan wat er in werkelijkheid is waargenomen. Maar het MIT-team zegt nu dat stof het verschil kan verklaren. Ze ontdekten dat als een TDE zich voordoet in een stoffig sterrenstelsel, het stof zelf niet alleen optische en röntgenstraling zou kunnen absorberen, maar ook extreem ultraviolette straling, in een hoeveelheid die gelijk is aan de veronderstelde "ontbrekende energie".
De 18 nieuwe ontdekkingen helpen astronomen ook om in te schatten hoe snel TDE's voorkomen in een bepaald sterrenstelsel. Als ze de nieuwe TDE's optellen bij eerdere waarnemingen, schatten ze dat een sterrenstelsel eens in de 50.000 jaar te maken krijgt met een verstoring door getijden. Deze snelheid komt dichter in de buurt van de theoretische voorspellingen van natuurkundigen. Met meer infraroodwaarnemingen hoopt het team de snelheid van TDE's en de eigenschappen van de zwarte gaten die ze veroorzaken te kunnen vaststellen. "Mensen kwamen met zeer exotische oplossingen voor deze puzzels en nu zijn we op het punt gekomen dat we ze allemaal kunnen oplossen," zegt Kara. "Dit geeft ons het vertrouwen dat we niet al die exotische fysica nodig hebben om te verklaren wat we zien. En we hebben een beter inzicht in de mechanica achter hoe een ster uit elkaar wordt gerukt en wordt opgeslokt door een zwart gat. We begrijpen deze systemen beter.
Bron: Massachusetts Institute of Technology
