Den 11 nov. 2014, ett globalt nätverk av teleskop fångat upp signaler från 300 miljoner ljusår bort som skapades av en flad av tidvattenavbrott – en explosion av elektromagnetisk energi som uppstår när ett svart hål river sönder en passerande stjärna. Sedan denna upptäckt, astronomer har tränat andra teleskop på denna mycket sällsynta händelse för att lära sig mer om hur svarta hål slukar materia och reglerar tillväxten av galaxer.

Forskare från MIT och Johns Hopkins University har nu upptäckt radiosignaler från händelsen som stämmer mycket överens med röntgenstrålning från samma flare 13 dagar tidigare. De tror på dessa radio-ekon, "som till mer än 90 procent liknar händelsens röntgenstrålning, är mer än en tillfällig slump. Istället, de verkar vara bevis på en gigantisk stråle av mycket energiska partiklar som strömmar ut från det svarta hålet när stjärnmaterial faller in.

Dheeraj Pasham, en postdoc vid MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, säger att de mycket likartade mönstren tyder på att kraften hos strålen som skjuter ut från det svarta hålet på något sätt styrs av den hastighet med vilken det svarta hålet matar den utplånade stjärnan.

"Detta talar om för oss att matningshastigheten för det svarta hålet styr styrkan på den jet den producerar, " säger Pasham. "Ett välmatat svart hål producerar en stark stråle, medan ett undernärt svart hål producerar en svag stråle eller ingen stråle alls. Det här är första gången vi har sett ett jetplan som styrs av ett matande supermassivt svart hål."

Pasham säger att forskare har misstänkt att svarta håls jetstrålar drivs av deras ansamlingshastighet, men de har aldrig kunnat observera detta förhållande från en enda händelse.

"Du kan bara göra detta med dessa speciella evenemang där det svarta hålet bara sitter där och gör ingenting, och så kommer plötsligt en stjärna, ger den mycket bränsle för att driva sig själv, " säger Pasham. "Det är det perfekta tillfället att studera sådana saker från grunden, väsentligen."

Pasham och hans medarbetare, Sjoert van Velzen från Johns Hopkins University, rapportera sina resultat i en tidning som publicerades denna vecka i Astrofysisk tidskrift .

Upp till debatt

Baserat på teoretiska modeller av svarta håls evolution, kombinerat med observationer av avlägsna galaxer, forskare har en allmän förståelse för vad som händer under en tidvattenavbrottshändelse:När en stjärna passerar nära ett svart hål, det svarta hålets gravitationskraft genererar tidvattenkrafter på stjärnan, liknande det sätt på vilket månen rör upp tidvatten på jorden.

Dock, ett svart håls gravitationskrafter är så enorma att de kan störa stjärnan, sträcka och platta till den som en pannkaka och så småningom strimla stjärnan i bitar. I efterspelet, en regn av stjärnskräp regnar ner och fastnar i en ackretionsskiva – en virvel av kosmiskt material som så småningom tränger in i och matar det svarta hålet.

Hela denna process genererar kolossala energiskurar över det elektromagnetiska spektrumet. Forskare har observerat dessa skurar i den optiska, ultraviolett, och röntgenband, och även ibland i radioändan av spektrumet. Källan till röntgenstrålningen tros vara ultravarmt material i de innersta delarna av ackretionsskivan, som precis är på väg att falla ner i det svarta hålet. Optiska och ultravioletta emissioner kommer sannolikt från material längre ut i skivan, som så småningom kommer att dras in i det svarta hålet.

Dock, vad som ger upphov till radioutsläpp under en tidvattenstörning har varit uppe för debatt.

"Vi vet att radiovågorna kommer från riktigt energiska elektroner som rör sig i ett magnetfält - det är en väletablerad process, " säger Pasham. "Debatten har varit, var kommer dessa riktigt energiska elektroner ifrån?"

Vissa forskare föreslår att i ögonblicken efter stjärnexplosionen, en stötvåg fortplantar sig utåt och aktiverar plasmapartiklarna i det omgivande mediet, i en process som i sin tur sänder ut radiovågor. I ett sådant scenario, mönstret av utsända radiovågor skulle se radikalt annorlunda ut än mönstret för röntgenstrålar som produceras från infallande stjärnskräp.

"Det vi hittade utmanar i grunden detta paradigm, " säger Pasham.

Ett skiftande mönster

Pasham och van Velzen tittade igenom data som registrerats från en flad av tidvattenavbrott som upptäcktes 2014 av det globala teleskopnätverket ASASSN (All-sky Automated Survey for Supernovae). Strax efter den första upptäckten, flera elektromagnetiska teleskop fokuserade på händelsen, vilka astronomer myntade ASASSN-14li. Pasham och van Velzen granskade radiodata från tre teleskop av händelsen under 180 dagar.

Forskarna tittade igenom de sammanställda radiodata och upptäckte en tydlig likhet med mönster som de tidigare observerat i röntgendata från samma händelse. När de passar radiodata över röntgendata, och flyttade runt de två för att jämföra deras likheter, de fann att datamängderna var mest lika, med 90 procents likhet, vid förskjutning med 13 dagar. Det är, the same fluctuations in the X-ray spectrum appeared 13 days later in the radio band.

"The only way that coupling can happen is if there is a physical process that is somehow connecting the X-ray-producing accretion flow with the radio-producing region, " Pasham says.

From this same data, Pasham and van Velzen calculated the size of the X-ray-emitting region to be about 25 times the size of the sun, while the radio-emitting region was about 400, 000 times the solar radius.

"It's not a coincidence that this is happening, " Pasham says. "Clearly there's a causal connection between this small region producing X-rays, and this big region producing radio waves."

The team proposes that the radio waves were produced by a jet of high-energy particles that began to stream out from the black hole shortly after the black hole began absorbing material from the exploded star. Because the region of the jet where these radio waves first formed was incredibly dense (tightly packed with electrons), a majority of the radio waves were immediately absorbed by other electrons.

It was only when electrons traveled downstream of the jet that the radio waves could escape—producing the signal that the researchers eventually detected. Således, de säger, the strength of the jet must be controlled by the accretion rate, or the speed at which the black hole is consuming X-ray-emitting stellar debris.

I sista hand, the results may help scientists better characterize the physics of jet behavior—an essential ingredient in modeling the evolution of galaxies. It's thought that galaxies grow by producing new stars, a process that requires very cold temperatures. When a black hole emits a jet of particles, it essentially heats up the surrounding galaxy, putting a temporary stop on stellar production. Pasham says the team's new insights into jet production and black hole accretion may help to simplify models of galaxy evolution.

"If the rate at which the black hole is feeding is proportional to the rate at which it's pumping out energy, and if that really works for every black hole, it's a simple prescription you can use in simulations of galaxy evolution, " Pasham says. "So this is hinting toward some bigger picture."

This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.