När en stjärna passerar för nära ett supermassivt svart hål, tidvattenkrafter sliter isär den, producerar en stark strålning när material från stjärnan faller ner i det svarta hålet. Astronomer studerar ljuset från dessa "tidal disruption events" (TDE) för ledtrådar till matningsbeteendet hos de supermassiva svarta hålen som lurar i galaxernas centrum.

Nya TDE-observationer ledda av astronomer vid UC Santa Cruz ger nu tydliga bevis på att skräp från stjärnan bildar en roterande skiva, kallas en accretion disk, runt det svarta hålet. Teoretiker har diskuterat om en ackretionsskiva kan bildas effektivt under en tidvattenavbrottshändelse, och de nya rönen, godkänd för publicering i Astrofysisk tidskrift och tillgänglig online, borde hjälpa till att lösa den frågan, sa första författaren Tiara Hung, en postdoktor vid UC Santa Cruz.

"I klassisk teori, TDE flare drivs av en accretion disk, producerar röntgenstrålar från det inre området där het gas spiralerar in i det svarta hålet, " sa Hung. "Men för de flesta TDE:er, vi ser inte röntgenstrålar - de lyser mestadels i de ultravioletta och optiska våglängderna - så det föreslogs att, istället för en disk, vi ser utsläpp från kollisionen av stjärnskräpströmmar."

Medförfattare Enrico Ramirez-Ruiz, professor i astronomi och astrofysik vid UCSC, och Jane Dai vid University of Hong Kong utvecklade en teoretisk modell, publicerades 2018, som kan förklara varför röntgenstrålar vanligtvis inte observeras i TDE trots bildandet av en accretion disk. De nya observationerna ger starkt stöd för denna modell.

"Detta är den första solida bekräftelsen på att ackretionsskivor bildas i dessa händelser, även när vi inte ser röntgenstrålar, ", sa Ramirez-Ruiz. "Regionen nära det svarta hålet är skymd av en optiskt tjock vind, så vi ser inte röntgenstrålningen, men vi ser optiskt ljus från en förlängd elliptisk skiva."

Bevisande bevis

Beviset för en ackretionsskiva kommer från spektroskopiska observationer. Medförfattare Ryan Foley, biträdande professor i astronomi och astrofysik vid UCSC, och hans team började övervaka TDE (som heter AT 2018hyz) efter att det först upptäcktes i november 2018 av All Sky Automated Survey for SuperNovae (ASAS-SN). Foley märkte ett ovanligt spektrum när han observerade TDE med 3-meters Shane-teleskopet vid UC:s Lick Observatory natten till den 1 januari, 2019.

"Min käke tappade, och jag visste direkt att det här skulle bli intressant, ", sa han. "Det som stack ut var vätgasledningen - utsläppet från vätgas - som hade en dubbeltoppsprofil som inte liknade någon annan TDE vi hade sett."

Foley förklarade att den dubbla toppen i spektrumet är resultatet av Dopplereffekten, som ändrar frekvensen av ljus som sänds ut av ett rörligt föremål. I en ackretionsskiva som spirar runt ett svart hål och ses i en vinkel, en del av materialet kommer att röra sig mot betraktaren, så att ljuset den avger kommer att skiftas till en högre frekvens, och en del av materialet kommer att flytta bort från betraktaren, dess ljus skiftade till en lägre frekvens.

"Det är samma effekt som gör att ljudet av en bil på en racerbana skiftar från en hög stigning när bilen kommer mot dig till en lägre stigning när den passerar och börjar röra sig bort från dig, " Sa Foley. "Om du sitter på läktaren, bilarna i ena svängen rör sig alla mot dig och bilarna i den andra svängen rör sig bort från dig. I en accretion disk, gasen rör sig runt det svarta hålet på liknande sätt, och det är det som ger de två topparna i spektrumet."

Teamet fortsatte att samla in data under de närmaste månaderna, observera TDE med flera teleskop när den utvecklades över tiden. Hung ledde en detaljerad analys av data, vilket indikerar att skivbildningen skedde relativt snabbt, inom några veckor efter störningen av stjärnan. Fynden tyder på att diskbildning kan vara vanligt bland optiskt detekterade TDE trots sällsyntheten av dubbeltoppade emissioner, vilket beror på faktorer som skivans lutning i förhållande till observatörer.

"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, Australien; Carnegie Institution for Science; och 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.