Ny forskning från College of Charlestons fysik- och astronomiprofessor Chris Fragile kan hjälpa forskare att upptäcka mer om svarta hål med mellanliggande massa och aktiviteterna kring dem.

Fragiles forskning, som snart kommer att dyka upp i Astrophysics Journal, involverar stjärnor eller andra himmelska föremål som rör sig för nära ett svart hål, vilket resulterar i att föremålet slits isär av det svarta hålets extrema tidvattenkrafter. Under sådana våldsamma "tidvattenstörningshändelser" (TDEs), föremålet som störs sträcks och komprimeras samtidigt i motsatta riktningar. Om föremålet råkar vara en vit dvärgstjärna, som är den döda kärnan av en solliknande stjärna, kompressionen kan vara tillräcklig för att kortvarigt återuppta kärnfusion, på sätt och vis väcka den vita dvärgen till liv igen, om så bara för några sekunder.

För att detta ska hända, säger Fragile, den vita dvärgen måste passera relativt nära (inuti "tidvattenradien") ett svart hål med mellanmassa (IMBH), en om 1, 000 till 10, 000 gånger solens massa. Detta beror på att storleken på ett svart hål (och dess tidvattenradie) korrelerar med dess massa. Om det svarta hålet har för liten massa, dess tidvattenradie är mindre än storleken på den vita dvärgen, så det svarta hålet sväljs till en början av den vita dvärgen. Om det svarta hålet har för mycket massa, den kommer att vara så stor att den vita dvärgen kommer att passera inuti innan tidvattenkrafterna blir starka nog att störa den.

Medan ett stort antal "stjärnmassa" och "supermassiva" svarta hål har upptäckts, Fragile säger att det för närvarande finns knappa bevis för deras mellanliggande masskusiner.

"Det är viktigt att veta hur många mellanmassa svarta hål som finns, eftersom detta kommer att hjälpa till att svara på frågan om var supermassiva svarta hål kommer ifrån, " säger Fragile. "Att hitta svarta hål med mellanliggande massa genom tidvattenavbrott skulle vara ett enormt framsteg."

Tidvattenstörningar kan ibland ge enorma elektromagnetiska utbrott och potentiellt detekterbara gravitationsvågsignaler. Än så länge, endast ett dussintal upptäckter har visat signaturerna för en tidvattenavbrottshändelse, och ingen av dem verkar vara störningen av en vit dvärg. Ändå, säger Fragile, dessa händelser är ett primärt mål för många nuvarande och framtida uppdrag, inklusive All Sky Automated Survey for SuperNovae (ASSASSN), Intermediate Palomar Transient Factory, och Large Synoptic Survey Telescope (LSST).

Medan en del av materialet som slits ur det avbrutna föremålet i slutändan kommer att sväljas (”ackreteras”) av det svarta hålet, en betydande del kommer att slängas ut i det omgivande utrymmet som obundet skräp. Detta skräp kan så småningom assimileras i framtida generationer av stjärnor och planeter, så dess kemiska sammansättning kan få viktiga konsekvenser. Den nukleära förbränningen som äger rum under tidvattenavbrottet av en vit dvärgstjärna orsakar betydande förändringar i dess kemiska sammansättning, omvandlar mestadels helium, kol, och syre från en typisk vit dvärg till grundämnen närmare järn på det periodiska systemet.

Tidvattenstörningar av vita dvärgstjärnor av svarta hål med mellanmassa studeras nu med hjälp av datorsimuleringar, säger Fragile. En sådan uppsättning simuleringar har bekräftat att kärnvapenbränning är ett vanligt resultat, med massomvandlingseffektivitet upp till 60 procent. Effektiviteten och de element som produceras beror båda känsligt på hur nära den vita dvärgen kommer det svarta hålet, med mer avlägsna tillvägagångssätt som företrädesvis producerar kalcium och närmare tillvägagångssätt för att producera järn. De simulerade störningarna genererar också korta skurar av gravitationsvågor, av en frekvens och amplitud som kan detekteras med framtida instrument. Från och med nu, dessa är de tredimensionella simuleringarna med högsta upplösning av tidvattenstörningar.

Denna forskning kommer att vara till hjälp för att karakterisera framtida tidvattenstörningar och sätta begränsningar på förekomsten av mellanliggande massa svarta hål.