​En stjärna slits sönder på grund av ett supermassivt svart håls extrema gravitation. I processen skapas en jetstråle som rör sig med hastigheter som kan jämföras med ljusets. (illustration)

​​

Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

Jetstråle överraskade när stjärna slets sönder av ett svart hål

Astronomer från bland annat Chalmers har för första gången avbildat hur en extremt snabb jetstråle bildas när en allt för närgången stjärna slets sönder av ett supermassivt svart hål. Bakom upptäckten ligger bland annat radioteleskopnätverket European VLBI Network i vilket 25-m-teleskopet i Onsala ingår. Forskningsresultaten publiceras i veckans nummer av Science.

Astronomer som arbetar med ett projekt för att studera supernovor blev överraskade när det som först såg ut som en supernovaexplosion var i själva verket något annat: en stjärna som slets isär av ett supermassivt svart hål.

Under många år kunde forskarna kunde följa händelsen i Arp 299, ett par av kolliderande galaxer nästan 150 miljoner ljusår bort. Många teleskop observerade detta gemensamt, bland dem 25-metersteleskopet i Onsala, Sverige, som ingår i teleskopnätverket European VLBI Network (EVN). 

Denna sällsynta typ av stjärndöd kallas gravitationell sönderslitning (på engelska tidal disruption event, eller TDE). Det sker när den kraftfulla gravitationen hos ett supertungt svart hål sliter sönder en stjärna som kommit allt för nära den tunga bjässen. Teoretiker har lanserat idén om att materia som rivs bort från den dödsdömda stjärnan under en tid bildar en roterande skiva runt det svarta hålet. Skivan alstrar både intensiv röntgenstrålning och synligt ljus, och från skivans mitt sänds jetstrålar av materia ut i hastigheter som närmar sig ljusets.

Nu har astronomer direkt avbildat en sådan jetstråle och sett hur den förändras över tid.

Miguel Perez-Torres är astronom vid Institutet för astrofysik i Andalusien, Granada, Spanien.

 Aldrig tidigare har vi kunnat direkt iaktta en jetstråle som bildas och utvecklas i en sådan händelse, säger han.

Från början bevakades ett par av galaxer som håller på att kollidera nästan 150 miljoner ljusår från jorden. Galaxparet går under namnet Arp 299, men har också kallats ”supernovafabriken” tack vare att så många supernovaexplosioner setts där. I januari 2005 upptänkte forskarna ett ljusstarkt utbrott av infrarött ljus från den ena galaxens kärna. I juli samma år upptäcktes en ny källa till radiostrålning på samma plats. 

Forskarna använde Nordiska optiska teleskopet (NOT) på Kanarieöarna och NASA:s rymdteleskop Spitzer för att följa hur källan lyste i infrarött ljus.

Seppo Mattila är astronom vid Åbo universitet i Finland.

 Allt eftersom tiden gick lyste det nya objektet stadigt i infrarött och radiostrålning, men inte i synligt ljus och röntgenstrålning. Den rimligaste förklaringen är att röntgenstrålningen och det synliga ljuset absorberades av tjocka lager av gas, stoft och damm i närheten av galaxens mitt, för att sedan åter strålas ut som infrarött ljus. 



Under ett årtionde fortsatte teamet att observera radiostrålningen med hjälp av metoden långbasinterferometri (Very Long Baseline Interferometry eller VLBI). Det innebär att många teleskop, utspridda över jordklotet, riktades samtidigt mot samma radiokälla på himlen. Metoden ger mätningar med extremt hög upplösning och forskarna kunde därför studera den pågående händelsen i detalj. I observationskampanjen ingick teleskopen som ingår i nätverken European VLBI Network (EVN) och Very Long Baseline Array (VLBA). Mätningarna korrelerades vid institutet JIVE (the Joint Institute for VLBI ERIC) i Nederländerna respektive vid VLA (Very Large Array) i USA.

Eskil Varenius är astronom vid Jodrell Bank-observatoriet i Storbritannien, tidigare också verksam på Onsala rymdobservatorium vid Chalmers.

 Ett globalt nätverk av radioantenner som samarbetar är det enda sättet att i detalj se en sådan jetstråle och studera hur så avlägsna objekt utvecklas. Det är otroligt vad dessa teleskopnätverk kan åstadkomma. Detta är är ett solklart fall där internationellt samarbete uppnår en helhet större än summan av dess delar, säger han.

Tack vare den omfattande bevakningen kom det 2011 fram att radiostrålningen från källan höll på att utvidgas mot ett håll, och bildade – precis enligt teoretikernas förväntningar – en avlång så kallad jetstråle. Expansionen som uppmättes tydde på att materian i jetstrålen förflyttade sig med snitthastighet på en fjärdedel av ljusets hastighet.

I kärnan av de flesta galaxer finns ett supertungt svart hål. Dessa svarta hål kan väga mellan miljoner och miljarder gånger solens massa. Massan är så koncentrerad att gravitationskraften till och med hindrar ljus från att ta sig ut. I det aktuella fallet drar det svarta hålet aktivt in materia från dess omgivningar och river isär en stjärna vars massa uppgår till två gånger solens. Materialet bildar en roterande skiva runt det svarta hålet och supersnabba jetstrålar av partiklar sänds ut, ett fenomen som också förekommer i radiogalaxer och kvasarer.

 Oftast slukar dock inte supertunga svarta hål något alls, och då är deras tillstånd lugnt. Gravitationella sönderslitningar kan ge oss ett unikt tillfälle att förstå mer om hur jetstrålar uppstår och utvecklas i närheten av så kraftfulla objekt, berättar Miguel Pérez-Torres.

– På grund av dammet som absorberade det synliga ljuset är den här sönderslitningen kanske bara toppen av ett isberg och visar nu upp vad som hittills varit en dold population. Genom att leta efter dessa händelser med teleskop för infrarött ljus och radiostrålning kan vi komma att kunna upptäcka och lära oss av många fler, säger han.

Händelser som den här kan ha varit mycket vanligare i det avlägsna universum. Därför kan sådana här studier hjälpa forskare att förstå miljöerna i vilka galaxer utvecklades för miljarder år sedan. 


Kontakter

Robert Cumming, kommunikatör, Onsala rymdobservatorium, Chalmers, tel: 031-772 5500 eller 070 493 3114, robert.cumming@chalmers.se.
 
Ivan Martí-Vidal, astronom, Onsala rymdobservatorium och Chalmers, 031-772 5508, ivan.marti-vidal@chalmers.se

Bilder

A (längst upp) Så föreställer sig NRAO:s rymdkonstnär Sophia Dagnello en stjärna som genomgår gravitationell sönderslitning. En stjärna som har kommit allt för nära ett supertungt svart hål börjar slitas sönder, och i processen skapas en jetstråle som rör sig med hastigheter som kan jämföras med ljusets.
Bild: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

B. Galaxerna Arp 299B (t. h.) och Arp 299A (t. v.) håller på att kollidera med varandra. I galaxkärnan till höger har astronomer observerat hur en stjärna slits sönder av galaxens centrala, supermassiva svarta hål. Bilden togs i synligt ljus med Hubbleteleskopet.
Bild: NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration och A. Evans (University of Virginia, Charlottesville/NRAO/Stony Brook University)

C. Stillbild från en animation av hur radiostrålningen från källan Arp299B-AT1 utvecklades med tiden. 
Animationen finns här. I filmsnutten visas hur händelsen visade sig 2005, och hur jetstrålen utvecklades sedan under mer än 10 års tid. Utvecklingen visas i två frekvenser, vid 5.0 GHz (t. v.; motsvarar våglängd 6 cm) och 8.4 GHz (t. h.; 3,6 cm). Bilderna har skapats utifrån mätningar med nätverk av radioteleskop över hela världen, bland dem det kraftfulla European VLBI Network (EVN) och NRAO:s Very Long Baseline Array (VLBA).
Bild: Seppo Mattila, Miguel Pérez-Torres et al. (2018), Science

D. Så skapas strålning när en stjärna i galaxen Arp299B slits sönder (skiss, ej skalenlig)
Det supertunga svarta hålet i galaxens mitt omges av tätpackade gasmoln och en dammig torus. Händelsen skapade strålning i synligt ljus och röntgenstrålning som dock absorberades för att senare, tack vare stoftmängder vid polerna, strålas bort som infrarött ljus. Det infraröda ljuset registrerades med det nordiska teleskopet NOT och bevakades sedan med NASA:s rymdteleskop Spitzer. Ett par månader efter upptäckten i infrarött ljus registrerades händelsen även med en mycket känslig uppställning av radioteleskop.
Bild: Seppo Mattila, Miguel Pérez-Torres et al. (2018), Science

Mer om forskningen, om teleskopnätverken och om långbasinterferometri 

Seppo Mattila och Miguel Pérez-Torres ledde ett forskarlag med 36 astronomer från 26 forskningsinstitut i hela världen, däribland två forskare från Chalmers och tre från Stockholms universitet. Forskningsresultaten presenteras i artikeln A dust-enshrouded tidal disruption event with a resolved radio jet in a galaxy merger av S. Mattila m. fl. publiceras i veckans nummer av tidskriften Science. Artikeln finns på adressen http://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.aao4669​

S. Mattila (Åbo universitet, Finland), M. Pérez-Torres (Instituto de Astrofísica de Andalucía - CSIC, Spanien), A. Efstathiou (European University Cyprus, Cypern), P. Mimica (Universitat de València, Spanien), M. Fraser (University College Dublin, Irland, och University of Cambridge, Storbritannien), E. Kankare (Queen’s University Belfast, Storbritannien), A. Alberdi (Instituto de Astrofísica de Andalucía - CSIC, Spanien), M. Á. Aloy (Universitat de València, Spanien), T. Heikkilä (Åbo universitet, Finland), P.G. Jonker (SRON, Nederländerna), Peter Lundqvist (Stockholms universitet, Sverige), Ivan Martí-Vidal (Onsala rymdobservatorium, Chalmers, Sverige), W.P.S. Meikle (Imperial College London, Storbritannien), C. Romero-Cañizales (Millennium Institute of Astrophysics och Universidad Diego Portales, Chile), S. J. Smartt (Queen’s University Belfast, Storbritannien), S. Tsygankov (Åbo universitet, Finland), Eskil Varenius (Onsala rymdobservatorium, Chalmers, Sverige och Jodrell Bank Centre for Astrophysics, University of Manchester, Storbritannien), A. Alonso-Herrero (Centro de Astrobiología - CSIC-INTA, Spanien), M. Bondi (Istituto di Radioastronomia - INAF), C. Fransson (Stockholms universitet, Sverige), R. Herrero-Illana (ESO, Chile), T. Kangas (Åbo universitet, Finland och Space Telescope Science Institute, USA), R. Kotak (Åbo universitet, Finland och Queen’s University Belfast, Storbritannien), N. Ramírez-Olivencia (Instituto de Astrofísica de Andalucía - CSIC, Spanien), P. Väisänen (South African Astronomical Observatory och SALT, Sydafrika), R.J. Beswick (Jodrell Bank Centre for Astrophysics, University of Manchester, Storbritannien), D.L. Clements (Imperial College London, Storbritannien),, R. Greimel (NAWI Graz, Österrike), J. Harmanen (Åbo universitet, Finland), J. Kotilainen (Åbo universitet, Finland) K. Nandra (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Tyskland), T. Reynolds (Åbo universitet, Finland), S. Ryder (Australian Astronomical Observatory, Australien), N.A. Walton (University of Cambridge, Storbritannien), K. Wiik (Åbo universitet, Finland) och Göran Östlin (Stockholms universitet, Sverige).

Långbasinterferometri eller VLBI (very long baseline interferometry) är en astronomisk metod som går ut på att flera radioteleskop som ligger långt från varandra samtidigt observerar samma område på himlen. Data från varje teleskop skickas sedan till en central dator, korrelatorn, för att skapa bilder med högre upplösning än till och med världens bästa teleskop för synligt ljus.

European VLBI Network (EVN; www.evlbi.org) är en interferometrisk uppställning av radioteleskop i Europa, Asien, Sydafrika och Amerika som genomför unika, högupplösta radioastronomiska observationer av kosmiska radiokällor. Nätverket grundades 1980, med Onsala rymdobservatorium bland de första fem medlemmarna, och har idag växt till världens känsligaste teleskopuppställning i sitt slag, med fler än 20 teleskop varav några av världens största och känsligaste radioteleskop. EVN drivs av European Consortium for VLBI, som består av 15 forskningsinstitut, bland dem Joint Institute for VLBI ERIC (JIVE).

Joint Institute for VLBI ERIC (JIVE; www.jive.eu) har som huvuduppdrag att stå för driften och utvecklingen av EVN-processorn, en kraftfull superdator som kombinerar signalerna från radioteleskop i hela världen. JIVE grundades 1993 och är sedan 2015 ett ERIC (European Research Infrastructure Consortium) med sex medlemsländer: Lettland, Nederländerna, Storbritannien, Sverige, Frankrike och Spanien. JIVE stöds även av partnerinstitut i Italien, Kina, Sydafrika och Tyskland.



Publicerad: to 14 jun 2018. Ändrad: ti 19 jun 2018