L'11 novembre 2014, una rete globale di telescopi ha raccolto segnali da 300 milioni di anni luce di distanza che sono stati creati da un bagliore di interruzione delle maree, un'esplosione di energia elettromagnetica che si verifica quando un buco nero fa a pezzi una stella di passaggio. Da questa scoperta, gli astronomi hanno addestrato altri telescopi su questo evento molto raro per saperne di più su come i buchi neri divorano la materia e regolano la crescita delle galassie.

Scienziati del MIT e della Johns Hopkins University hanno ora rilevato segnali radio dall'evento che corrispondono molto da vicino alle emissioni di raggi X prodotte dallo stesso bagliore 13 giorni prima. Credono che questi "echi" radiofonici, " che sono più del 90% simili alle emissioni di raggi X dell'evento, sono più di una coincidenza passeggera. Anziché, sembrano essere la prova di un gigantesco getto di particelle altamente energetiche che fuoriesce dal buco nero mentre il materiale stellare sta cadendo.

Dheeraj Pasham, un postdoc presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT, dice che i modelli molto simili suggeriscono che la potenza del getto che fuoriesce dal buco nero è in qualche modo controllata dalla velocità con cui il buco nero si nutre della stella cancellata.

"Questo ci dice che la velocità di alimentazione del buco nero sta controllando la forza del getto che produce, "Pasham dice. "Un buco nero ben nutrito produce un forte getto, mentre un buco nero malnutrito produce un getto debole o nessun getto. Questa è la prima volta che vediamo un getto controllato da un buco nero supermassiccio in alimentazione".

Pasham afferma che gli scienziati hanno sospettato che i getti dei buchi neri siano alimentati dal loro tasso di accrescimento, ma non sono mai stati in grado di osservare questa relazione da un singolo evento.

"Puoi farlo solo con questi eventi speciali in cui il buco nero sta semplicemente seduto lì senza fare nulla, e poi all'improvviso arriva una stella, dandogli molto carburante per alimentarsi, "Pasham dice. "Questa è l'occasione perfetta per studiare queste cose da zero, essenzialmente."

Pasham e il suo collaboratore, Sjoert van Velzen della Johns Hopkins University, riferire i loro risultati in un documento pubblicato questa settimana nel Giornale Astrofisico .

In discussione

Sulla base di modelli teorici dell'evoluzione del buco nero, combinato con osservazioni di galassie lontane, gli scienziati hanno una comprensione generale di ciò che accade durante un evento di interruzione delle maree:quando una stella passa vicino a un buco nero, l'attrazione gravitazionale del buco nero genera forze di marea sulla stella, simile al modo in cui la luna solleva le maree sulla Terra.

Però, le forze gravitazionali di un buco nero sono così immense che possono distruggere la stella, allungandolo e appiattendolo come una frittella e infine facendo a pezzi la stella. Di conseguenza, una pioggia di detriti stellari piove e viene catturata da un disco di accrescimento, un vortice di materiale cosmico che alla fine si incanala e alimenta il buco nero.

L'intero processo genera colossali esplosioni di energia attraverso lo spettro elettromagnetico. Gli scienziati hanno osservato queste esplosioni nell'ottica, ultravioletto, e bande radiografiche, e anche occasionalmente nell'estremità radio dello spettro. Si pensa che la fonte delle emissioni di raggi X sia materiale ultracaldo nelle regioni più interne del disco di accrescimento, che sta per cadere nel buco nero. È probabile che le emissioni ottiche e ultraviolette derivino da materiale più esterno nel disco, che alla fine verrà trascinato nel buco nero.

Però, ciò che dà origine alle emissioni radio durante un'esplosione di marea è stato oggetto di dibattito.

"Sappiamo che le onde radio provengono da elettroni veramente energetici che si muovono in un campo magnetico, questo è un processo ben consolidato, "Pasham dice. "Il dibattito è stato, da dove vengono questi elettroni veramente energetici?"

Alcuni scienziati propongono che, negli istanti dopo l'esplosione stellare, un'onda d'urto si propaga verso l'esterno ed energizza le particelle di plasma nel mezzo circostante, in un processo che a sua volta emette onde radio. In uno scenario del genere, lo schema delle onde radio emesse sembrerebbe radicalmente diverso dallo schema dei raggi X prodotti dalla caduta di detriti stellari.

"Ciò che abbiamo trovato sfida sostanzialmente questo paradigma, "dice Pasham.

Un modello mutevole

Pasham e van Velzen hanno esaminato i dati registrati da un brillamento di interruzione di marea scoperto nel 2014 dalla rete globale di telescopi ASASSN (All-sky Automated Survey for Supernovae). Subito dopo la prima scoperta, più telescopi elettromagnetici focalizzati sull'evento, che gli astronomi hanno coniato ASASSN-14li. Pasham e van Velzen hanno esaminato i dati radio di tre telescopi dell'evento per 180 giorni.

I ricercatori hanno esaminato i dati radio compilati e hanno scoperto una chiara somiglianza con i modelli che avevano precedentemente osservato nei dati a raggi X dello stesso evento. Quando si adattano ai dati radio sui dati a raggi X, e spostato i due intorno per confrontare le loro somiglianze, hanno scoperto che i set di dati erano più simili, con una somiglianza del 90%, se spostato di 13 giorni. Questo è, the same fluctuations in the X-ray spectrum appeared 13 days later in the radio band.

"The only way that coupling can happen is if there is a physical process that is somehow connecting the X-ray-producing accretion flow with the radio-producing region, " Pasham says.

From this same data, Pasham and van Velzen calculated the size of the X-ray-emitting region to be about 25 times the size of the sun, while the radio-emitting region was about 400, 000 times the solar radius.

"It's not a coincidence that this is happening, " Pasham says. "Clearly there's a causal connection between this small region producing X-rays, and this big region producing radio waves."

The team proposes that the radio waves were produced by a jet of high-energy particles that began to stream out from the black hole shortly after the black hole began absorbing material from the exploded star. Because the region of the jet where these radio waves first formed was incredibly dense (tightly packed with electrons), a majority of the radio waves were immediately absorbed by other electrons.

It was only when electrons traveled downstream of the jet that the radio waves could escape—producing the signal that the researchers eventually detected. Così, dicono, the strength of the jet must be controlled by the accretion rate, or the speed at which the black hole is consuming X-ray-emitting stellar debris.

In definitiva, the results may help scientists better characterize the physics of jet behavior—an essential ingredient in modeling the evolution of galaxies. It's thought that galaxies grow by producing new stars, a process that requires very cold temperatures. When a black hole emits a jet of particles, it essentially heats up the surrounding galaxy, putting a temporary stop on stellar production. Pasham says the team's new insights into jet production and black hole accretion may help to simplify models of galaxy evolution.

"If the rate at which the black hole is feeding is proportional to the rate at which it's pumping out energy, and if that really works for every black hole, it's a simple prescription you can use in simulations of galaxy evolution, " Pasham says. "So this is hinting toward some bigger picture."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.