سیاهچاله ها مدام این ستاره ها را از هم می پاشند، اما آنها زنده می مانند

وقتی ستاره ای به طور خطرناکی از نزدیک یکی از این سیاهچاله ها عبور می کند، نابودی همیشه فوری نیست. برخی از ستارگان از رویارویی جان سالم به در می‌برند و برای پاس‌های نزدیک اضافی بازمی‌گردند و هر بار انفجار جدیدی از نور تولید می‌کنند.

این رویدادها که به عنوان تکرار رویدادهای مختل جزر و مد (rpTDE) شناخته می‌شوند، به اخترشناسان این امکان را می‌دهند که همان ستاره را در تعامل مکرر با همان سیاه‌چاله مشاهده کنند. بررسی‌های حوزه زمانی میدان وسیع این امر را با اسکن مکرر مناطق بزرگ آسمان و ردیابی اجسامی که روشنایی آنها تغییر می‌کند، ممکن می‌سازد.

با این حال برخی از این سیستم ها اخترشناسان را متحیر کرده است. به جای ایجاد فوران های مشابه در هر بازگشت، آنها ضعیف تر و ضعیف تر می شوند. سال‌ها، مدل‌های نظری برای بازتولید این رفتار تلاش کردند.

تحقیقات جدید اخترفیزیکدانان دانشگاه سیراکیوز نشان می‌دهد که ویژگی ستاره که قبلاً نادیده گرفته شده بود، می‌تواند پاسخ این سوال را بدهد: این ستاره قبل از اولین برخورد نزدیکش با سیاهچاله چقدر سریع می‌چرخید.

این مطالعه، منتشر شده در مجله اخترفیزیک، توسط دانشجوی دکتری، Ananya Bandopadhyay رهبری می شد که با همکار فوق دکتری Benjamin Amend و دانشیار Eric Coughlin، همه در دپارتمان فیزیک، همراه با همکاران در سایر موسسات کار می کرد.

چگونه سیاهچاله ها ستاره ها را از هم می پاشند

در یک رویداد اختلال جزر و مدی استاندارد (TDE)، کشش گرانشی از یک سیاهچاله به شدت از یک طرف ستاره نزدیک به سمت دیگر تغییر می کند که ستاره کاملاً از هم جدا می شود.

بقایای ستاره ای حاصل شروع به ریزش به سمت سیاهچاله یا “افزایش” روی آن می کند. از آنجایی که این ماده انرژی خود را از دست می دهد، نور را در دوره های مختلف از روزها تا ماه ها آزاد می کند.

سیاهچاله ها خود نور ساطع نمی کنند، اما TDE به طور موقت موادی را تامین می کند که می تواند منطقه اطراف یک را روشن کند. این درخشش به اخترشناسان روشی غیرمستقیم برای مطالعه اجرامی می دهد که در غیر این صورت نامرئی خواهند بود.

هر برخوردی به نابودی کامل ستاره ختم نمی شود. اگر ستاره ای از نزدیک یک سیاهچاله بدون عبور از آستانه نابودی کامل عبور کند، ممکن است تنها کسری از جرم خود را از دست بدهد و یک TDE جزئی تولید کند. در طول یک TDE جزئی مکرر، هسته بازمانده ستاره در مدار باقی می‌ماند و برای برخوردهای نزدیک بیشتر بازمی‌گردد و هر بار مواد بیشتری را خارج می‌کند. این قسمت ها می توانند با فاصله چند ماه یا سال ظاهر شوند.

چرا برخی از فوران های سیاهچاله همچنان محو می شوند؟

مقدار موادی که در طی برخوردهای مکرر از یک ستاره پرتاب می شود تا حدی به ساختار درونی ستاره بستگی دارد. Bandopadhyay یک ستاره کم جرم را به مرنگ کرکی تشبیه می کند. چنین ستاره ای می تواند به طور فزاینده ای در برابر نیروهای جزر و مدی سیاهچاله حساس شود.

ستاره ای با جرم بالاتر رفتار متفاوتی دارد. مواد آن بیشتر به سمت مرکز متمرکز شده است، با ساختار داخلی پیاز مانند. این می تواند لایه های بیرونی خود را از دست بدهد در حالی که هسته متراکم آن نسبتاً بدون تغییر باقی می ماند و مقدار جرم از دست رفته در برخوردهای متوالی را کاهش می دهد.

این تفاوت‌های ساختاری ممکن است به توضیح اینکه چرا همه rpTDEها به یک شکل تکامل نمی‌یابند، کمک کند. اما درک یک مشاهده به ویژه دشوار بود. از حدود 10 سیستم تکرارشونده شناسایی شده تاکنون، چهار سیستم شعله ور شدن را نشان داده اند که به تدریج کاهش یافته است.

ممکن است طبیعی به نظر برسد که فرض کنیم مقادیر کمتری از مواد پرتاب شده به سادگی فوران های ضعیف تری ایجاد می کنند. با این حال، شبیه‌سازی‌های هیدرودینامیکی قبلی یک عارضه را نشان داد. حتی زمانی که ستاره در طی هر عبور مواد کمتری را از دست داد، مدل‌ها همچنان شعله‌های با حداکثر روشنایی را پیش‌بینی می‌کردند.

Bandopadhyay می گوید: «ما دو سال از این موضوع گیج بودیم.

کار قبلی آنها پیامد مهم دیگری از نیروهای جزر و مدی سیاهچاله را آشکار کرد. این نیروها علاوه بر بیرون کشیدن مواد از ستاره، گشتاور نیز اعمال می کنند و باعث می شوند ستاره پس از هر برخورد نزدیک، سریعتر بچرخد.

این افزایش چرخش، سرعت بازگشت مواد کنده‌شده به سیاه‌چاله را تغییر می‌دهد. اگرچه مواد کمتری برگردانده می شود، اما در مدت زمان کوتاه تری انجام می شود. شار متمرکز تر به حفظ نرخ شکست مشابه و بنابراین تقریباً همان روشنایی شعله ور پیش بینی شده کمک می کند.

یک ستاره به سرعت در حال چرخش تصویر را تغییر می دهد

برای بازتولید شراره های محو شده ای که ستاره شناسان در واقع مشاهده می کنند، محققان به چیزی نیاز داشتند که Bandopadhyay آن را “مواد جدید” نامید: ستاره ای که پیش از اولین برخوردش با سیاهچاله به سرعت در حال چرخش بود.

شبیه‌سازی‌های جدید نشان می‌دهد که چنین ستاره‌ای ممکن است در طی گذرهای بعدی تقریباً به همان اندازه نچرخد. بدون افزایش زیادی در چرخش پس از هر برخورد، مدت زمانی که طول می‌کشد تا مواد کنده‌شده دوباره به سیاه‌چاله برسند، نسبتاً ثابت می‌ماند.

این نتیجه را تغییر می دهد. همانطور که به تدریج مواد کمتری از ستاره خارج می شود، اوج بازیابی نیز کاهش می یابد. شعله پیش‌بینی‌شده ممکن است با هر برخورد ضعیف‌تر شود و با آنچه ستاره‌شناسان دیده‌اند مطابقت داشته باشد.

چگونه ستاره ممکن است اسیر شده باشد

این کشف سوال دیگری را مطرح می کند: چرا ستاره ای که به یک سیاهچاله بسیار پرجرم نزدیک می شود در حال حاضر با این سرعت می چرخد؟

کوفلین می‌گوید: «همچنین «پیوند کردن» یک ستاره به یک سیاه‌چاله بسیار پرجرم بسیار سخت است که چندین ماه به دور سیاهچاله بچرخد، و با این حال به نظر می‌رسد که آنها این کار را در rpTDE انجام می‌دهند.

فرآیندی به نام مکانیسم هیلز ممکن است هم چرخش سریع و هم مدار باریک غیرمعمول ستاره را توضیح دهد.

در این سناریو، دو ستاره که از نزدیک به دور یکدیگر می چرخند به یک سیاهچاله بسیار پرجرم نزدیک می شوند. گرانش سیاهچاله سیستم دوتایی را از هم می پاشد. یک ستاره به بیرون پرتاب می شود و دیگری در مداری به دور سیاهچاله گرفته می شود.

ستارگان در یک سیستم دوتایی بسیار نزدیک می توانند به صورت جزر و مدی قفل شوند، به این معنی که هر ستاره به همان سرعتی که این جفت به دور یکدیگر می چرخد، حول محور خود می چرخد. هر چه منظومه دوتایی فشرده‌تر باشد، دوره مداری کوتاه‌تر است و یک ستاره قفل‌شده جزر و مدی باید سریع‌تر بچرخد.

برای رها کردن یک ستاره گرفته شده در مدار کوتاه مشاهده شده در rpTDE، دوتایی اصلی باید بسیار فشرده باشد. همان پیکربندی فشرده به طور طبیعی یک ستاره به سرعت در حال چرخش و قفل جزر و مدی را قبل از اینکه سیاهچاله آن را بگیرد ایجاد می کند.

کوفلین می‌گوید: کار آنانیا نشان می‌دهد که هر یک از این ویژگی‌ها را می‌توان با یک پدیده اساسی توضیح داد: فروپاشی جزر و مدی یک سیستم دوتایی و گرفتن یکی از ستارگان. از نقطه نظر نظری، این یک گام بزرگ به جلو در درک ما از فیزیک موجود در این سیستم ها است.

اتصال احتمالی به کهکشان راه شیری

پیامدها ممکن است فراتر از سیستم های شعله ور تکرار شونده دور گسترش یابد. کوفلین خاطرنشان می کند که گرفتن تپه ممکن است مسئول برخی از ستارگانی باشد که اکنون به دور قوس A*، سیاهچاله بسیار پرجرم در مرکز کهکشان راه شیری در حال گردش هستند.

اگر چنین است، همان مکانیسمی که می‌تواند شراره‌های محو شدن rpTDE را توضیح دهد می‌تواند به اخترشناسان کمک کند تا برخی از جمعیت‌های ستاره‌ای غیرمعمول اطراف سیاه‌چاله را در چیزی که کوفلین «حیاط خلوت کیهانی خودمان» می‌نامد، درک کنند.