Den 9 september 2018, astronomer såg en blixt från en galax 860 miljoner ljusår bort. Källan var ett supermassivt svart hål ungefär 50 miljoner gånger solens massa. Normalt tyst, gravitationsjätten vaknade plötsligt för att sluka en passerande stjärna i ett sällsynt fall känt som en tidvattenavbrottshändelse. När stjärnskräpet föll mot det svarta hålet, det frigjorde en enorm mängd energi i form av ljus.

Forskare vid MIT, European Southern Observatory, och på andra håll använde flera teleskop för att hålla koll på händelsen, märkt AT2018fyk. Till deras förvåning, de observerade att när det supermassiva svarta hålet förtärde stjärnan, den uppvisade egenskaper som liknade mycket mindre, svarta hål av stjärnmassa.

Resultaten, publiceras idag i Astrophysical Journal, föreslå att accretion, eller hur svarta hål utvecklas när de konsumerar material, är oberoende av deras storlek.

"Vi har visat att om du har sett ett svart hål, du har sett dem alla, på sätt och vis, " säger studieförfattaren Dheeraj "DJ" Pasham, en forskare vid MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "När du kastar en gasboll på dem, de verkar alla göra ungefär samma sak. De är samma best när det gäller deras tillväxt."

Pashams medförfattare inkluderar huvudforskaren Ronald Remillard och tidigare doktorand Anirudh Chiti vid MIT, tillsammans med forskare vid European Southern Observatory, Cambridge universitetet, Leiden universitet, New York University, University of Maryland, Curtin University, universitetet i Amsterdam, och NASA Goddard Space Flight Center.

Ett fantastiskt uppvaknande

När små svarta hål av stjärnmassa med en massa som är ungefär 10 gånger vår sol avger en ljusskur, det är ofta som svar på ett inflöde av material från en sällskapsstjärna. Detta utbrott av strålning sätter igång en specifik utveckling av området runt det svarta hålet. Från stillhet, ett svart hål övergår till en "mjuk" fas som domineras av en ackretionsskiva när stjärnmaterial dras in i det svarta hålet. När mängden materialinflöde minskar, den övergår igen till en "hård" fas där en glödhet corona tar över. Det svarta hålet sätter sig så småningom tillbaka i en stadig stillhet, och hela denna tillväxtcykel kan pågå från några veckor till månader.

Fysiker har observerat denna karakteristiska ackretionscykel i flera svarta hål av stjärnmassa under flera decennier. Men för supermassiva svarta hål, man trodde att denna process skulle ta för lång tid att fånga helt, eftersom dessa goliater normalt betar, matar långsamt på gas i de centrala delarna av en galax.

"Denna process sker normalt på tusentals år i supermassiva svarta hål, " säger Pasham. "Människor kan inte vänta så länge med att fånga något sådant här."

Men hela denna process går snabbare när ett svart hål upplever en plötslig, enormt inflöde av material, till exempel under en tidvattenstörning, när en stjärna kommer nära nog att ett svart hål kan riva den i sönder.

"I händelse av tidvattenavbrott, allt är abrupt, " säger Pasham. "Du har en plötslig gasbit som kastas mot dig, och det svarta hålet väcks plötsligt, och det är som, 'Oj, det finns så mycket mat - låt mig bara äta, äta, ät tills det är borta.' Så, den upplever allt på kort tid. Det gör att vi kan undersöka alla dessa olika ackretionsstadier som människor har känt till i svarta hål med stjärnmassa."

En supermassiv cykel

I september 2018, All-Sky Automated Survey for Supernovae (ASSASSN) fångat upp signaler om en plötslig flare. Forskare fastställde därefter att blossen var resultatet av en tidvattenavbrottshändelse som involverade ett supermassivt svart hål, som de märkte TDE AT2018fyk. Wevers, Pasham, och deras kollegor hoppade på larmet och kunde styra flera teleskop, var och en tränad att kartlägga olika band av ultraviolett och röntgenspektrum, mot systemet.

Teamet samlade in data under två år, med hjälp av röntgenrymdteleskop XMM-Newton och Chandra X-Ray Observatory, samt SNYGGARE, röntgenövervakningsinstrumentet ombord på den internationella rymdstationen, och Swift Observatory, tillsammans med radioteleskop i Australien.

"Vi fångade det svarta hålet i det mjuka tillståndet med en ansamlingsskiva som bildades, och det mesta av utsläppet i ultraviolett ljus, med väldigt få på röntgen, " säger Pasham. "Då kollapsar skivan, Corona blir starkare, och nu är det väldigt ljust på röntgen. Till slut finns det inte mycket gas att äta på, och den totala ljusstyrkan sjunker och går tillbaka till oupptäckbara nivåer."

Forskarna uppskattar att det svarta hålet störde en stjärna ungefär lika stor som vår sol. I processen, det genererade en enorm ackretionsskiva, cirka 12 miljarder kilometer bred, och släppte ut gas som de uppskattade till cirka 40, 000 Kelvin, eller mer än 70, 000 grader Fahrenheit. När skivan blev svagare och mindre ljus, en corona av kompakt, högenergiröntgenstrålar tog över som den dominerande fasen runt det svarta hålet innan de så småningom försvann.

"Människor har vetat att den här cykeln inträffar i svarta hål med stjärnmassa, som bara är cirka 10 solmassor. Nu ser vi detta i något 5 miljoner gånger större, " säger Pasham.

"Den mest spännande framtidsutsikterna är att sådana tidvattenavbrottshändelser ger ett fönster till bildandet av komplexa strukturer mycket nära det supermassiva svarta hålet som ackretionsskivan och koronan, " säger huvudförfattaren Thomas Wevers, en stipendiat vid European Southern Observatory. "Att studera hur dessa strukturer bildas och interagerar i den extrema miljön efter förstörelsen av en stjärna, vi kan förhoppningsvis börja bättre förstå de grundläggande fysiska lagarna som styr deras existens."

Förutom att visa att svarta hål upplever ackretion på samma sätt, oavsett storlek, resultaten representerar bara andra gången som forskare har fångat bildandet av en korona från början till slut.

"En corona är en mycket mystisk enhet, och i fallet med supermassiva svarta hål, människor har studerat etablerade coronas men vet inte när eller hur de bildades, ", säger Pasham. "Vi har visat att du kan använda tidvattenstörningar för att fånga koronabildning. Jag är exalterad över att använda dessa händelser i framtiden för att ta reda på exakt vad corona är."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.