Ahli Astronomi China Temui Bukti Spektrum Lubang Hitam Mengoyakkan Bintang Sama Dua Kali

Dua suar menunjukkan satu bintang terselamat

Sebuah bintang nampaknya terselamat daripada pertemuan dekat dengan lubang hitam supermasif, sebelum kembali dan kehilangan lebih banyak bahannya. Ahli astronomi di Universiti Sains dan Teknologi China (USTC) mengenal pasti peristiwa berulang itu, AT 2022dbl, selepas ia mula kembali cerah pada Januari 2024. Petunjuk terkuat mereka ialah persamaan ketara pada cahaya yang dipancarkan semasa kedua-dua suarnya.

Penemuan itu diterbitkan pada 9 Ogos 2024 dalam The Astrophysical Journal Letters. Dalam pengumuman penyelidikannya, USTC menyifatkan AT 2022dbl sebagai peristiwa gangguan pasang surut separa berulang pertama yang disahkan melalui spektroskopi, iaitu kajian cahaya yang diasingkan mengikut panjang gelombang komponennya.

Peristiwa gangguan pasang surut, atau TDE, berlaku apabila sebuah bintang melintas cukup dekat dengan lubang hitam besar sehingga graviti mengoyakkan bahannya. Bahan itu menghasilkan suar terang ketika bergerak ke arah lubang hitam. Dalam gangguan separa, sebahagian bintang terselamat, sekali gus memungkinkan pertemuan seterusnya.

AT 2022dbl penting kerana para penyelidik memperoleh lebih daripada sekadar rekod objek yang menjadi terang dua kali. Kedua-dua suar itu memaparkan ciri pancaran yang hampir sepadan, termasuk ciri yang dikaitkan dengan nitrogen. Ciri-ciri itu menyokong kesimpulan pasukan bahawa bahan yang terlibat dalam kedua-dua episod itu berkemungkinan besar berasal daripada bintang yang sama.

Penemuan itu juga mengubah cara ahli astronomi mungkin mentafsir gangguan bintang yang kelihatan biasa. Menurut pasukan itu, setiap suar AT 2022dbl kelihatan seperti TDE biasa apabila dikaji secara berasingan. Pemerhatian terhadap objek itu dari semasa ke semasa mendedahkan kisah yang lebih rumit: sebuah bintang nampaknya kehilangan bahan dalam pertemuan berturut-turut, bukannya lenyap dalam satu peristiwa.

Bagaimana lubang hitam boleh melucutkan bahan bintang

Lubang hitam menarik bahagian bintang berdekatan yang paling hampir dengannya dengan lebih kuat berbanding bahagian yang lebih jauh. Apabila perbezaan itu cukup kuat, ia meregangkan bintang dan boleh mengoyakkan bahan bintang. Perbezaan tarikan graviti ini ialah daya pasang surut yang menjadi asas nama peristiwa tersebut.

Istilah pertambahan merujuk kepada bahan yang berkumpul di sekeliling dan bergerak ke arah sesuatu objek akibat graviti. Dalam TDE, serpihan bintang menjadi panas dan membebaskan sinaran semasa proses itu. Ahli astronomi mengesan suar yang terhasil, yang menyediakan cara untuk mengkaji pertemuan yang berlaku jauh di luar jangkauan pemerhatian langsung.

USTC menjelaskan bahawa TDE biasa menjadi terang dengan pantas selama beberapa puluh hari, kemudian malap selama beberapa bulan atau tahun. Gangguan separa boleh mengikuti corak yang serupa. Ciri khasnya ialah bintang yang terselamat, yang mungkin kekal pada orbit yang membawanya menghampiri lubang hitam sekali lagi.

Bagi AT 2022dbl, para penyelidik mentafsir suar yang muncul semula dan spektrum yang sepadan sebagai bukti proses berulang itu. Cahaya membawa maklumat tentang bahan yang dilucutkan, manakala kecerahan yang kembali menunjukkan bahawa aktivitinya bersambung semula.

Mengapa spektrum yang sepadan penting

Spektrum mengasingkan cahaya mengikut panjang gelombang, seperti prisma yang menyebarkan cahaya nampak menjadi warna-warna berbeza. Atom dan ion menghasilkan ciri pada panjang gelombang tertentu. Ahli astronomi menggunakan ciri ini untuk mengkaji komposisi dan keadaan fizikal bahan yang menghasilkan cahaya tersebut.

Kedua-dua suar AT 2022dbl mempunyai ciri garis pancaran yang amat serupa. USTC mengetengahkan ciri yang menunjukkan kelimpahan luar biasa tinggi unsur yang dikaitkan dengan tindak balas nuklear di dalam bintang. Antara ciri yang sepadan ialah garis pancaran N III, yang dihasilkan oleh atom nitrogen yang kehilangan dua elektron.

Pasukan penyelidik mentafsir persamaan kimia ini sebagai petunjuk utama bahawa kedua-dua episod melibatkan bahan daripada bintang yang sama. Hujah mereka menghubungkan masa aktiviti yang muncul semula dengan komposisi yang didedahkan oleh cahaya: objek itu menyala semula, dan pancarannya membawa tandatangan kimia yang hampir sepadan.

Calon terdahulu bagi gangguan pasang surut berulang kebanyakannya disokong oleh lengkung cahaya, yang memplot kecerahan mengikut masa. USTC menyatakan bahawa kes-kes tersebut tidak mempunyai bukti yang setanding kukuh selain perubahan kecerahannya dan tidak mendapat penerimaan meluas. AT 2022dbl menambah perbandingan spektrum antara suar-suar itu, sekali gus memberikan asas pemerhatian yang lebih kukuh bagi penjelasan gangguan separa berulang.

Bagaimana suar kedua dikesan

Pasukan USTC kerap mengemas kini lengkung cahaya peristiwa gangguan pasang surut yang diketahui untuk mencari aktiviti yang muncul semula. Pemantauan berterusan itu membolehkan para penyelidik mengenal pasti kecerahan AT 2022dbl yang meningkat pada Januari 2024 dan mengatur pemerhatian ketika suar baharu itu masih berkembang.

Mereka memulakan pemantauan menggunakan satelit Swift dan rangkaian Teleskop Global Balai Cerap Las Cumbres, yang dikenali sebagai LCOGT. Pemerhatian tersebut mengukur peristiwa itu dalam berbilang jalur panjang gelombang, memberikan pasukan itu rekod perubahan sinarannya yang lebih menyeluruh berbanding pemerhatian dalam satu jalur sahaja.

Para penyelidik juga mendapatkan spektrum awal berkualiti tinggi menggunakan teleskop Hale, yang dikenali sebagai P200, di Balai Cerap Palomar di Amerika Syarikat. Spektrum itu membantu mengenal pasti letusan baharu tersebut sebagai peristiwa gangguan pasang surut dan membolehkan perbandingan penting dengan suar pertama.

Langkah utamanya ialah:

• Januari 2024: Pasukan itu mengesan kecerahan AT 2022dbl yang meningkat semula dan memulakan pemerhatian menggunakan Swift, LCOGT dan teleskop Hale di Palomar.
• 9 Ogos 2024: Kajian itu diterbitkan dalam The Astrophysical Journal Letters dengan tajuk The Unluckiest Star: A Spectroscopically Confirmed Repeated Partial Tidal Disruption Event AT 2022dbl.

Pengesanan awal kemunculan semula itu penting kerana suar berubah ketika berkembang. Pemerhatian pantas membolehkan para penyelidik mendapatkan spektrum daripada peringkat awal episod kedua, berserta pengukuran yang menjejaki perubahan kecerahannya.

Kemungkinan asal usul daripada sepasang bintang

Para penyelidik mencadangkan bahawa bintang yang terselamat itu mungkin pada asalnya tergolong dalam sistem binari, iaitu dua bintang yang mengorbit antara satu sama lain. Pertemuan dekat dengan lubang hitam mungkin memisahkan pasangan itu dan menyebabkan salah satu bintang terikat kepada lubang hitam tersebut.

Dalam penjelasan itu, bintang yang ditangkap tersebut mengikuti orbit elips dengan kesipian yang sangat tinggi. Kesipian menerangkan sejauh mana orbit itu memanjang: orbit yang hampir bulat mengekalkan objek pada jarak yang agak tetap, manakala orbit yang sangat memanjang membawanya jauh sebelum kembali mendekat.

Setiap lintasan dekat itu kemudian boleh mendedahkan bintang kepada daya pasang surut yang kuat, melucutkan lebih banyak bahan dan menghasilkan satu lagi suar. Ini memberikan penjelasan fizikal tentang bagaimana sebuah bintang boleh terselamat daripada satu pertemuan dan kemudian kembali untuk kehilangan bahan sekali lagi.

Asal usul binari dan orbit yang dicadangkan itu masih merupakan tafsiran pasukan terhadap pemerhatian. Pengumuman tersebut tidak memberikan tarikh yang disahkan bagi suar seterusnya. Pemantauan berterusan membolehkan ahli astronomi mencari aktiviti lanjut dan membandingkan sebarang episod akan datang dengan dua episod pertama.

Perubahan terhadap kajian gangguan bintang

AT 2022dbl menimbulkan persoalan praktikal bagi ahli astronomi yang mengelaskan peristiwa ini: suar daripada gangguan separa bintang boleh kelihatan seperti suar daripada TDE biasa. Para penyelidik menyatakan bahawa tingkah laku setiap episod tidak dapat dibezakan daripada peristiwa biasa.

Oleh itu, kajian yang hanya memerhati satu suar mungkin merangkumi bintang yang terselamat dalam kalangan objek yang ditafsirkan mengalami satu gangguan sahaja. USTC menyatakan bahawa penyelidikan tentang TDE optik sebahagian besarnya mengabaikan gangguan separa berulang, sedangkan penemuan ini menunjukkan peristiwa sedemikian mungkin lebih lazim daripada yang diandaikan sebelum ini.

Perbezaan itu penting apabila para penyelidik mengira peristiwa dan mengkaji cara bintang kehilangan bahan berhampiran lubang hitam. Populasi yang mengandungi bintang yang kembali berulang kali mempunyai sejarah berbeza daripada populasi yang setiap suarnya menandakan pertemuan terakhir bintang yang berasingan. AT 2022dbl memberikan kes nyata untuk diteliti oleh para penyelidik ketika menilai semula pengiraan dan model fizikal tersebut.

Strategi pemerhatian juga sama penting. Pemeriksaan berkala terhadap objek yang diketahui boleh mendedahkan aktiviti yang mungkin terlepas daripada pemerhatian ketika penemuan sahaja. Dalam kes ini, gabungan pengukuran kecerahan berterusan, tindak balas pantas dan spektroskopi menghasilkan bukti utama.

Pasukan penyelidik dan usaha mencari lebih banyak contoh

Penulis pertama makalah itu ialah Zheyu Lin, pelajar kedoktoran USTC, yang diselia bersama oleh Profesor Xu Kong dan Penyelidik Bersekutu Ning Jiang. Jiang, Profesor Tinggui Wang dan Kong ialah penulis koresponden. Institusi yang bekerjasama termasuk Balai Cerap Astronomi Kebangsaan Akademi Sains China, Universiti Wuhan, Universiti Hiroshima, Universiti Kyoto dan Institut Astrofizik India.

Projek itu menerima sokongan daripada pelbagai organisasi, termasuk Yayasan Sains Semula Jadi Kebangsaan China, Kementerian Sains dan Teknologi, Akademi Sains China, program penerbangan angkasa manusia China, Yayasan Tang dan pihak berkuasa wilayah Anhui.

Para penyelidik menjangkakan akan menggunakan Teleskop Tinjauan Medan Luas, atau WFST, yang juga dikenali sebagai Teleskop Tinjauan Mozi, untuk mencari lebih banyak peristiwa seperti AT 2022dbl. USTC dan Balai Cerap Gunung Ungu membangunkan teleskop itu secara bersama, dan peristiwa gangguan pasang surut merupakan antara sasaran saintifik utamanya.

Penemuan contoh tambahan akan memberikan ahli astronomi lebih banyak bintang dan suar untuk dibandingkan. AT 2022dbl menunjukkan nilai menggabungkan usaha mencari peristiwa baharu dengan pemantauan berterusan terhadap peristiwa yang diketahui: objek yang telah malap mungkin masih akan mengalami satu lagi episod yang boleh diperhatikan.

Perkara Utama

• Penyelidik USTC mengesan kecerahan AT 2022dbl yang meningkat semula pada Januari 2024.
• Spektrum serupa daripada dua suar menyokong kesimpulan bahawa lubang hitam melucutkan bahan daripada bintang yang sama sebanyak dua kali.
• Pasukan itu menyifatkannya sebagai peristiwa gangguan pasang surut separa berulang pertama yang disahkan melalui spektroskopi.
• Swift, LCOGT dan teleskop Hale di Palomar menyediakan pemerhatian terhadap suar kedua.
• Kajian itu diterbitkan pada 9 Ogos 2024 dalam The Astrophysical Journal Letters.
• Para penyelidik mencadangkan bintang yang ditangkap berada pada orbit memanjang dan merancang untuk mencari lebih banyak contoh menggunakan WFST.