Under ett typiskt år, över en miljon människor besöker Yellowstone National Park, där Old Faithful-gejsern regelbundet spränger en stråle av kokande vatten högt i luften. Nu, ett internationellt team av astronomer har upptäckt en kosmisk motsvarighet, en avlägsen galax som får ett utbrott ungefär var 114:e dag.

Med hjälp av data från faciliteter inklusive NASA:s Neil Gehrels Swift Observatory och Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), forskarna har studerat 20 upprepade utbrott av en händelse som kallas ASASSN-14ko. Dessa olika teleskop och instrument är känsliga för olika våglängder av ljus. Genom att använda dem tillsammans, forskare fick mer detaljerade bilder av utbrotten.

"Detta är de mest förutsägbara och frekventa återkommande flervågsutbrott vi har sett från en galaxs kärna, och de ger oss en unik möjlighet att studera denna extragalaktiska Old Faithful i detalj, sa Anna Payne, en NASA Graduate Fellow vid University of Hawai'i i Mānoa. "Vi tror att ett supermassivt svart hål i galaxens centrum skapar skurarna eftersom det delvis förbrukar en kretsande jättestjärna."

Payne presenterade resultaten på tisdagen, 12 januari, vid det virtuella 237:e mötet i American Astronomical Society. En artikel om källan och dessa observationer, ledd av Payne, genomgår vetenskaplig granskning.

Astronomer klassificerar galaxer med ovanligt ljusa och variabla centra som aktiva galaxer. Dessa objekt kan producera mycket mer energi än det kombinerade bidraget från alla deras stjärnor, inklusive högre än förväntade nivåer av synliga, ultraviolett, och röntgenljus. Astrofysiker tror att den extra utsläppen kommer från nära galaxens centrala supermassiva svarta hål, där en virvlande skiva av gas och damm samlas och värms upp på grund av gravitations- och friktionskrafter. Det svarta hålet förbrukar sakta materialet, vilket skapar slumpmässiga fluktuationer i skivans emitterade ljus.

Men astronomer är intresserade av att hitta aktiva galaxer med flare som händer med jämna mellanrum, som kan hjälpa dem att identifiera och studera nya fenomen och händelser.

"ASSASSN-14ko är för närvarande vårt bästa exempel på periodisk variabilitet i en aktiv galax, trots årtionden av andra påståenden, eftersom tidpunkten för dess flare är mycket konsekvent under de sex år av data som Anna och hennes team analyserade, sa Jeremy Schnittman, en astrofysiker vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, som studerar svarta hål men inte var involverad i forskningen. "Detta resultat är en verklig tour de force av observationsastronomi med flera våglängder."

ASASSN-14ko upptäcktes först den 14 november, 2014, av All-Sky Automated Survey for Supernovae (ASAS-SN), ett globalt nätverk av 20 robotteleskop med huvudkontor vid Ohio State University (OSU) i Columbus. Det inträffade i ESO 253-3, en aktiv galax över 570 miljoner ljusår bort i den södra stjärnbilden Pictor. Just då, astronomer trodde att utbrottet troligen var en supernova, en engångshändelse som förstör en stjärna.

Sex år senare, Payne undersökte ASAS-SN-data om kända aktiva galaxer som en del av sitt examensarbete. Om man tittar på ESO 253-3 ljuskurvan, eller diagrammet över dess ljusstyrka över tid, hon märkte omedelbart en serie med jämnt fördelade bloss – totalt 17, alla åtskilda med cirka 114 dagar. Varje flare når sin högsta ljusstyrka på cirka fem dagar, dimper sedan stadigt.

Payne och hennes kollegor förutspådde att galaxen skulle blossa upp igen den 17 maj, 2020, så de koordinerade gemensamma observationer med mark- och rymdbaserade anläggningar, inklusive multivåglängdsmätningar med Swift. ASASSN-14ko utbröt precis enligt schemat. Teamet har sedan dess förutspått och observerat efterföljande bloss den 7 september och 20 december.

Forskarna använde också TESS-data för en detaljerad titt på en tidigare flare. TESS observerar strängar av himlen som kallas sektorer i ungefär en månad åt gången. Under uppdragets första två år, kamerorna samlade in en hel sektorbild var 30:e minut. Dessa ögonblicksbilder gjorde det möjligt för teamet att skapa en exakt tidslinje för en flare som började den 7 november, 2018, spåra dess uppkomst, stiga till högsta ljusstyrka, och minska i detalj.

"TESS gav en mycket grundlig bild av just den blossen, men på grund av hur uppdraget avbildar himlen, den kan inte observera dem alla, " sa medförfattaren Patrick Vallely, en ASAS-SN-teammedlem och National Science Foundation-forskare vid OSU. "ASAS-SN samlar in mindre detaljer om individuella utbrott, men ger en längre baslinje, vilket var avgörande i det här fallet. De två undersökningarna kompletterar varandra."

Med hjälp av mätningar från ASAS-SN, TESS, Swift och andra observatorier, inklusive NASAs NuSTAR och Europeiska rymdorganisationens XMM-Newton, Payne and her team came up with three possible explanations for the repeating flares.

One scenario involved interactions between the disks of two orbiting supermassive black holes at the galaxy's center. Recent measurements, also under scientific review, suggest the galaxy does indeed host two such objects, but they don't orbit closely enough to account for the frequency of the flares.

The second scenario the team considered was a star passing on an inclined orbit through a black hole's disk. Isåfall, scientists would expect to see asymmetrically shaped flares caused when the star disturbs the disk twice, on either side of the black hole. But the flares from this galaxy all have the same shape.

The third scenario, and the one the team thinks most likely, is a partial tidal disruption event.

A tidal disruption event occurs when an unlucky star strays too close to a black hole. Gravitational forces create intense tides that break the star apart into a stream of gas. The trailing part of the stream escapes the system, while the leading part swings back around the black hole. Astronomers see bright flares from these events when the shed gas strikes the black hole's accretion disk.

I detta fall, the astronomers suggest that one of the galaxy's supermassive black holes, one with about 78 million times the Sun's mass, partially disrupts an orbiting giant star. The star's orbit isn't circular, and each time it passes closest to the black hole, it bulges outward, shedding mass but not completely breaking apart. Every encounter strips away an amount of gas equal to about three times the mass of Jupiter.

Astronomers don't know how long the flares will persist. The star can't lose mass forever, and while scientists can estimate the amount of mass it loses during each orbit, they don't know how much it had before the disruptions began.

Payne and her team plan to continue observing the event's predicted outbursts, including upcoming dates in April and August 2021. They'll also be able to examine another measurement from TESS, which captured the Dec. 20 flare with its updated 10-minute snapshot rate.

"TESS was primarily designed to find worlds beyond our solar system, " said Padi Boyd, the TESS project scientist at Goddard. "But the mission is also teaching us more about stars in our own galaxy, including how they pulse and eclipse each other. I avlägsna galaxer, we've seen stars end their lives in supernova explosions. TESS has even previously observed a complete tidal disruption event. We're always looking forward to the next exciting and surprising discoveries the mission will make."