Quando una stella passa troppo vicino a un buco nero supermassiccio, le forze della marea lo fanno a pezzi, producendo un bagliore luminoso di radiazione mentre il materiale della stella cade nel buco nero. Gli astronomi studiano la luce di questi "eventi di interruzione delle maree" (TDE) alla ricerca di indizi sul comportamento alimentare dei buchi neri supermassicci in agguato al centro delle galassie.

Nuove osservazioni TDE guidate dagli astronomi dell'UC Santa Cruz ora forniscono una chiara prova 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 interruzione delle maree, e le nuove scoperte, accettato per la pubblicazione in Giornale Astrofisico e disponibile online, dovrebbe aiutare a risolvere questa domanda, ha detto il primo autore Tiara Hung, un ricercatore post-dottorato presso l'UC Santa Cruz.

"Nella teoria classica, il bagliore TDE è alimentato da un disco di accrescimento, producendo raggi X dalla regione interna dove il gas caldo si sviluppa a spirale nel buco nero, "Ha detto Hung. "Ma per la maggior parte dei TDE, non vediamo i raggi X - brillano principalmente nelle lunghezze d'onda ultraviolette e ottiche - quindi è stato suggerito che, invece di un disco, stiamo vedendo emissioni dalla collisione di flussi di detriti stellari".

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, questo può spiegare perché i raggi X di solito non si osservano nei 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, " Ramirez-Ruiz ha detto. "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 da un disco ellittico esteso."

Prove rivelatrici

Le prove rivelatrici di un disco di accrescimento provengono da osservazioni spettroscopiche. Coautore Ryan Foley, assistente professore di astronomia e astrofisica alla UCSC, e il suo team ha 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 al Lick Observatory della UC la notte del 1 gennaio, 2019.

"Mi è caduta la mascella, e ho capito subito che sarebbe stato interessante, " ha detto. "Ciò che spiccava era la linea dell'idrogeno, l'emissione del gas idrogeno, che aveva un profilo a doppio picco 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 che gira a spirale attorno a un buco nero e visto da un'angolazione, parte del materiale si muoverà verso l'osservatore, quindi la luce che emette sarà spostata a una frequenza più alta, e parte del materiale si allontanerà dall'osservatore, la sua luce si spostò su una frequenza più bassa.

"È lo stesso effetto che fa passare il suono di un'auto su una pista da un tono alto quando l'auto viene verso di te a un tono più basso quando passa e inizia ad allontanarsi da te, " ha detto Foley. "Se sei seduto in tribuna, le auto di una curva si stanno muovendo tutte verso di te e le auto dell'altra curva si stanno allontanando da te. In un disco di accrescimento, il gas si muove intorno al buco nero in modo simile, e questo è ciò che dà i due picchi nello spettro."

Il team ha continuato a raccogliere dati nei mesi successivi, osservando il TDE con diversi telescopi mentre si è evoluto nel tempo. Hung ha condotto un'analisi dettagliata dei dati, il che indica che la formazione del disco è avvenuta in tempi relativamente brevi, nel giro di poche settimane dopo l'interruzione della stella. I risultati suggeriscono che la formazione del disco può essere comune tra i TDE rilevati otticamente nonostante la rarità dell'emissione a doppio picco, che dipende da fattori come l'inclinazione del disco rispetto agli osservatori.

"I think we got lucky with this one, " Ramirez-Ruiz said. "Our simulations show that what we observe is very sensitive to the inclination. There is a preferred orientation to see these double-peak features, and a different orientation to see x-ray emissions."

He noted that Hung's analysis of multi-wavelength follow-up observations, including photometric and spectroscopic data, provides unprecedented insights into these unusual events. "When we have spectra, we can learn a lot about the kinematics of the gas and get a much clearer understanding of the accretion process and what is powering the emissions, " Ramirez-Ruiz said.

In addition to Hung, Foley, Ramirez-Ruiz, and other members of the UCSC team, the coauthors of the paper also include scientists at the Niels Bohr Institute in Copenhagen (where Ramirez-Ruiz holds a Niels Bohr Professorship); University of Hong Kong; University of Melbourne, Australia; Carnegie Institution for Science; and Space Telescope Science Institute.

Observations were obtained at Lick Observatory, the W. M. Keck Observatory, the Southern Astrophysical Research (SOAR) telescope, and the Swope Telescope at Las Campanas Observatory in Chile. This work was supported in part by the National Science Foundation, the Gordon and Betty Moore Foundation, the David and Lucile Packard Foundation, and the Heising-Simons Foundation.