Sådan ser det ud, når et sort hul fortærer en stjerne – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Nyheder > Nyheder 2018 > Sådan ser det ud, når ...

29. maj 2018

Sådan ser det ud, når et sort hul fortærer en stjerne

Ny computermodel:

Dr. Jane Lixin Dai, teoretisk astrofysiker og Professor Enrico Ramirez, begge fra DARK Cosmology Centre på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, er for nylig lykkedes med at skabe en længe ønsket computermodel til brug for det videnskabelige miljø omkring ”Tidal Disruption Events” (TDEs). Begrebet kan oversættes til midlertidige eller transiente astronomiske begivenheder. Modellen er nødvendig i arbejdet, med at undersøge og forstå disse meget voldsomme begivenheder, der af og til finder sted i galaksernes centrum.

På figuren ses et tværsnit af den situation, der opstår, når materialet fra den sønderslidte stjerne suges ind i det sorte hul. Der dannes en ophobning af fortættet materiale (disk), da der er for meget materiale til at det kan passere ind i det sorte hul på en gang. Det varmes op i processen og udsender store mængder lys og røntgenstråling undervejs (Dobbeltpilen), som kan observeres fra Jorden. Jane Dais computermodel tager højde for, at denne situation kan vende forskelligt ift. vores synsvinkel fra Jorden, og dermed kan vi kategorisere de forskellige observationer korrekt. Vi kan altså nu meget bedre begynde at studere det sorte huls egenskaber – og lære nyt om et himmellegeme, vi ellers ikke ville kunne se.

Tidal disruption events

I centrum af enhver, større galakse er der et supertungt sort hul, millioner eller milliarder gange tungere end solen. Det er vanskeligt at observere flertallet af dem, da de normalt ikke udsender nogen form for lys eller stråling. Det sker først, når materiale af en eller anden art bliver trukket ind i det sorte huls ekstremt stærke tyngdefelt. Ved sjældne lejligheder, faktisk så sjældent som hver 10.000 år, passerer en stjerne meget tæt forbi det supertunge sorte hul, og det stærke tyngdefelt slider stjernen i stykker. Det er denne type begivenhed, der beskrives med udtrykket ”Tidal Disruption Events”.

Når en sådan begivenhed finder sted, bliver det sorte hul ”overfodret” med materialet fra stjernen i et stykke tid. ”Det er interessant at se, hvordan materialet fra stjernen opfører sig under så ekstreme betingelser”, siger Dr. Jane Dai, som står for studiet. ”Idet det sorte hul fortærer materialet fra stjernen, udsendes en voldsom mængde stråling. Strålingen kan vi observere og vi kan undersøge og forstå de fysiske fænomener, der finder sted. Dermed bliver det muligt at beregne det sorte huls egenskaber – som vi ellers ikke har adgang til. Det gør det meget interessant at gå på jagt efter disse sjældne begivenheder”.

En enhedsmodel

De samme fysiske fænomener forventes at finde sted i alle TDEs. Men de egenskaber, vi hidtil har kunnet se i de forholdsvis få observationer, vi har indtil nu, har udvist store variationer: Nogle udsender primært røntgenstråling, mens andre primært udsender synligt lys og UV lys. Denne variation har været en kilde til megen undren, og en bedre forståelse af den har dermed været meget efterspurgt, for hvordan passer disse forskellige puslespilsbrikker sammen? I modellen, som Jane Dai har udviklet, er det synsvinklen på begivenhederne, der har gjort den store forskel. Astronomer observerer alting fra Jorden, men galakserne er spredt ud over hele universet. ”Det er som om et slør er kastet hen over et stort dyr. Fra nogle vinkler ser man noget af dyrets hud, og fra andre ser man kun slørets overflade. Dyret er det samme, men vores perception og dermed forståelse er forskellig, afhængig af vinklen”, fortæller Professor Enrico Ramirez-Ruiz, medforfatter på artiklen.

Jane Lixin Dai, teoretisk astrofysiker på DARK Cosmology Centre og Niels Bohr International Academy på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, har længe ønsket en computermodel der gør det muligt at beregne sorte hullers egenskaber.

Med den computermodel, Dr. Dai og hendes kolleger har sat sammen, i en kombination af flere fagfelter, den generelle relativitetsteori, magnetfelter, stråling og gas, har vi nu mulighed for at have en begrundet forventning om hvad vi ser, når vi observerer TDEs fra forskellige vinkler. Det sætter os i stand til at kategorisere alle de forskellige variationer i observationerne. ”Vi kommer til at observere hundreder, måske tusinder af TDEs i løbet af nogle år. Dette vil give os en række ”laboratorier” at teste vores model mod og bruge den til at lære meget mere om sorte hullers egenskaber”, siger Dr. Dai.

Samarbejder og perspektiver

Resultatet er muliggjort af samarbejdet mellem Dr. Jane Dai fra DARK Cosmology Centre på Niels Bohr Institutet, Professor Enrico Ramirez-Ruiz fra både NBI og University of California at Santa Cruz (UCSC), såvel som forskere fra University of Maryland: Professor Jonathan Mckinney, Dr. Nathaniel Roth og Professor Cole Miller. Det har været særligt vigtigt, at have adgang til den allernyeste supercomputerteknologi, for at løse gåden. Simulationerne blev udført af Dr. Dai og Dr. Roth, på den nyligt indkøbte computerklynge på Niels Bohr Institutet, et køb, der blev muliggjort af en Villum bevilling til Professor Jens Hjorth, leder af DARK Cosmology Centre. Klynger på National Science Foundation (NSF) og National Aeronautics and Space Administration (NASA) blev ligeledes brugt i arbejdet.

Gennembruddet har givet nye perspektiver på et hurtigt voksende forskningsfelt. ”Det er kun gennem det seneste årti, vi er blevet i stand til at adskille TDEs fra andre galaktiske fænomener, og Dr. Dais model vil give os de grundlæggende rammer at forstå disse sjældne begivenheder i”, siger Professor Enrico Ramirez-Ruiz.

I de kommende år vil Young Supernova Experiment (YSE) transient survey, ledet af DARK og UCSC, sammen med teleskoper, fx the Large Synoptic Survey Telescopes, som bygges i Chile, give os adgang til mange flere data og hjælpe med at udvide dette forskningsfelt betragteligt.

Link til den videnskabelige artikel i The Astrophysical Journal Letters.

Lixin Dai, Adjunkt, Dark Cosmology Centre og NBIA, Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, Email: lixin.dai@nbi.ku.dk, Telefon: +45 35 33 29 33