Under 2019 observerade astronomer det närmaste exemplet hittills på en stjärna som strimlades, eller "spaghettifierades", efter att ha närmat sig för nära ett massivt svart hål.

Tidvattenavbrottet av en solliknande stjärna av ett svart hål som var 1 miljon gånger mer massivt än det själv ägde rum 215 miljoner ljusår från jorden. Lyckligtvis var detta den första händelsen som var tillräckligt ljus för att astronomer från University of California, Berkeley, kunde studera det optiska ljuset från stjärndöden, speciellt ljusets polarisering, för att lära sig mer om vad som hände efter att stjärnan slets isär.

Deras observationer den 8 oktober 2019 tyder på att mycket av stjärnans material blåstes bort i hög hastighet – upp till 10 000 kilometer per sekund – och bildade ett sfäriskt moln av gas som blockerade de flesta av de höga energiutsläppen som producerades när svarta hålet slukade upp resten av stjärnan.

Tidigare har andra observationer av optiskt ljus från explosionen, kallat AT2019qiz, avslöjat att mycket av stjärnans materia lanserades utåt i en kraftig vind. Men de nya uppgifterna om ljusets polarisation, som i huvudsak var noll vid synliga eller optiska våglängder när händelsen var som ljusast, berättar för astronomer att molnet sannolikt var sfäriskt symmetriskt.

"Det här är första gången någon har härlett formen på gasmolnet runt en tidvattenspaghetifierad stjärna", säger Alex Filippenko, professor i astronomi vid UC Berkeley och medlem av forskargruppen.

Resultaten stödjer ett svar på varför astronomer inte ser högenergistrålning, såsom röntgenstrålar, från många av de dussintals tidvattenavbrott som hittills observerats:röntgenstrålningen, som produceras av material som slits ur stjärnan och dras in i en ansamlingsskiva runt det svarta hålet innan de faller inåt, skyms av gasen som blåses utåt av kraftiga vindar från det svarta hålet.

"Denna observation utesluter en klass av lösningar som har föreslagits teoretiskt och ger oss en starkare begränsning av vad som händer med gas runt ett svart hål", säger UC Berkeley doktorand Kishore Patra, huvudförfattare till studien. "Människor har sett andra bevis på att vind kommer ut ur dessa händelser, och jag tror att den här polarisationsstudien definitivt gör bevisen starkare, i den meningen att du inte skulle få en sfärisk geometri utan att ha en tillräcklig mängd vind. Det intressanta faktumet här är att en betydande del av materialet i stjärnan som spiralerar inåt inte till slut faller in i det svarta hålet – det blåser bort från det svarta hålet."

Polarisering avslöjar symmetri

Många teoretiker har antagit att stjärnskrotet bildar en excentrisk, asymmetrisk skiva efter avbrott, men en excentrisk skiva förväntas uppvisa en relativt hög grad av polarisation, vilket skulle innebära att kanske flera procent av det totala ljuset är polariserat. Detta observerades inte för denna tidvattenstörning.

"En av de galnaste sakerna ett supermassivt svart hål kan göra är att krossa en stjärna med dess enorma tidvattenkrafter", säger teammedlem Wenbin Lu, biträdande professor i astronomi vid UC Berkeley. "Dessa stjärnors tidvattenavbrottshändelser är ett av mycket få sätt som astronomer vet att det finns supermassiva svarta hål i galaxernas centrum och mäter deras egenskaper. Men på grund av den extrema beräkningskostnaden för att numeriskt simulera sådana händelser, förstår astronomerna fortfarande inte komplicerade processer efter ett tidvattenavbrott."

En andra uppsättning observationer den 6 november, 29 dagar efter oktoberobservationen, avslöjade att ljuset var mycket svagt polariserat, cirka 1 %, vilket tyder på att molnet hade tunnare ut tillräckligt för att avslöja den asymmetriska gasstrukturen runt det svarta hålet. Båda observationerna kom från 3-meters Shane-teleskopet vid Lick Observatory nära San Jose, Kalifornien, som är försett med Kast-spektrografen, ett instrument som kan bestämma ljusets polarisering över hela det optiska spektrumet. Ljuset blir polariserat – dess elektriska fält vibrerar främst i en riktning – när det sprider elektroner i gasmolnet.

"Accretionsskivan i sig är tillräckligt varm för att avge det mesta av sitt ljus i röntgenstrålar, men det ljuset måste komma genom detta moln, och det finns många spridningar, absorptioner och återutsändningar av ljus innan det kan fly ut ur detta moln." sa Patra. "Med var och en av dessa processer förlorar ljuset en del av sin fotonenergi och går hela vägen ner till ultravioletta och optiska energier. Den slutliga spridningen bestämmer sedan fotonens polarisationstillstånd. Så genom att mäta polarisation kan vi härleda geometrin av ytan där den slutliga spridningen sker."

Patra noterade att detta dödsbäddsscenario bara kan gälla normala tidvattenavbrott – inte "oddballs", där relativistiska materialstrålar drivs ut från det svarta hålets poler. Endast fler mätningar av polariseringen av ljus från dessa händelser kommer att svara på den frågan.

"Polariseringsstudier är mycket utmanande, och väldigt få människor är väl insatta i tekniken runt om i världen för att använda detta", sa han. "Så, detta är okänt territorium för tidvattenstörningar."

Patra, Filippenko, Lu och UC Berkeley-forskaren Thomas Brink, doktorand Sergiy Vasylyev och postdoktor Yi Yang rapporterade sina observationer i en artikel som har godkänts för publicering i tidskriften Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

Ett moln 100 gånger större än jordens omloppsbana

UC Berkeley-forskarna beräknade att det polariserade ljuset sändes ut från ytan av ett sfäriskt moln med en radie på cirka 100 astronomiska enheter (au), 100 gånger längre från stjärnan än vad jorden är från solen. Ett optiskt sken från het gas kom från en region vid cirka 30 au.

De spektropolarimetriska observationerna 2019 – en teknik som mäter polarisering över många ljusvåglängder – var av AT2019qiz, en tidvattenavbrottshändelse lokaliserad i en spiralgalax i konstellationen Eridanus. Nollpolariseringen av hela spektrumet i oktober indikerar ett sfäriskt symmetriskt moln av gas - alla polariserade fotoner balanserar varandra. Den lätta polariseringen av novembermätningarna indikerar en liten asymmetri. Eftersom dessa tidvattenavbrott inträffar så långt borta, i mitten av avlägsna galaxer, uppträder de bara som en ljuspunkt, och polarisering är en av få indikationer på objekts former.

"Dessa störningshändelser är så långt borta att du inte riktigt kan lösa dem, så du kan inte studera händelsens geometri eller strukturen för dessa explosioner," sa Filippenko. "Men att studera polariserat ljus hjälper oss faktiskt att härleda viss information om fördelningen av ämnet i den explosionen eller, i det här fallet, hur gasen - och möjligen ansamlingsskivan - runt detta svarta hål formas." + Utforska vidare

Död genom spaghettifiering:Forskare registrerar sista ögonblick av stjärna som slukas av svarta hål