Astronomer har sett den energiska aktiveringen av ett svart hål

Ett team av astronomer ledda av forskare från University of Birmingham, University College London och King's University Belfast har upptäckt en av de mest dramatiska "switch-on" för svarta hål som någonsin observerats. De presenterar sina resultat tisdagen den 4 juli kl Nationellt astronomiskt möte 2023 i Cardiff.

J221951-484240, känd som J221951, är en av de ljusaste transienterna – astrofysiska objekt som ändrar sin ljusstyrka under en kort tidsperiod – som någonsin registrerats. Det upptäcktes av Dr Samantha Oates, en astronom vid University of Birmingham, och hennes team i september 2019 när de sökte efter elektromagnetiskt ljus från en gravitationsvåg. Teamet använde de ultravioletta och optiska teleskopen ombord på Neil Gerrells Swift Observatory för att leta efter en kilonova, signaturen på en neutronstjärna som smälter samman med en annan neutronstjärna eller svart hål. Vanligtvis ser kilonovan blå ut, sedan bleknar den och blir röd inom några dagar. Istället hittade de något ännu mer ovanligt: ​​J221951. Det såg blått ut, men det ändrade inte färg eller bleknade lika snabbt som kilonova.

Flera teleskop användes för att observera J221951 och bestämma dess natur, inklusive NASA:s rymdteleskop Swift/UVOT och Hubble, South African Large Telescope och ESO-instrument som Very Large Telescope och GROND-instrumentet på MPG/ESO 2,2-metersteleskopet i observatoriet i La Silla.

Spektrumet för J221951 som erhölls av rymdteleskopet Hubble uteslöt en gravitationsvågsförbindelse av J221951. Genom att studera ljusspektrumet för J221951 kunde Dr Oates och hennes team fastställa att källan är cirka 10 miljarder ljusår bort, i motsats till gravitationsvågssignalen, som upptäcktes mindre än 0,5 miljarder ljusår bort. Det faktum att den lyser så starkt på så långt avstånd gör J221951 till en av de ljusaste transienter som någonsin upptäckts.

Bevis tyder på att J221951 bildades som ett resultat av ett supermassivt svart hål som absorberade det omgivande materialet mycket snabbt. En röd galax observerades vid J221951 innan dess upptäckt, och platsen för J221951 överensstämmer med mitten av galaxen, där ett massivt svart hål naturligt borde finnas. Det började glöda väldigt plötsligt - cirka 10 månader innan det först upptäcktes - vilket betyder att det svarta hålet började äta mycket snabbt efter att ha varit tyst ett tag. Det ultravioletta spektrumet visar absorptionsegenskaper som överensstämmer med material som trycks utåt av en enorm energifrisättning. Detta, i kombination med den höga ljusstyrkan, gör detta till ett av de mest dramatiska svarta håls "tändningar" som någonsin observerats.

Teamet identifierade två möjliga mekanismer som kan förklara en sådan extrem matning av ett supermassivt svart hål. Den första är att den kan ha orsakats av en tidvattenstörning – förstörelsen av en stjärna när den passerar nära det supermassiva svarta hålet i mitten av sin galax. Det andra alternativet är att det kan ha orsakats av en aktiv galaktisk kärna som "ändrade sitt tillstånd" från vilande till aktiv. J221951 skulle då signalera att det vilande svarta hålet i mitten av värdgalaxen har börjat mata på material från ansamlingsskivan.

Dr Matt Nicholl, en teammedlem från King's University Belfast, sa: "Vår förståelse för de olika saker som supermassiva svarta hål kan göra har expanderat kraftigt under de senaste åren, tack vare upptäckten av stjärnskott och ansamling av svarta hål med extremt varierande ljusstyrkor. " Han tillägger: "J221951 är ett av de mest extrema exemplen på ett svart hål som överraskar oss. Ytterligare observationer av J221951 för att bestämma det totala energiutsläppet kan göra det möjligt för oss att avgöra om detta är en tidvattenabsorption av stjärnan av ett snabbt roterande svart hål eller en ny typ av AGN-start."

Dr. N. Paul Quinn, en annan gruppmedlem från Space Science Laboratory. Mallard vid University College London, sa: "Nyckelupptäckten var att det ultravioletta spektrumet som erhölls av Hubble uteslöt ett galaktiskt ursprung. Detta visar hur viktigt det är att upprätthålla förmågan hos den rymdbaserade UV-spektrografen i framtiden."

Dr Samantha Oates tillägger: "I framtiden kan vi kanske få viktiga ledtrådar för att skilja en tidvattenstörning från aktiva galaktiska kärnscenarier. Till exempel, om J221951 är associerad med en supernova som slås på, kan vi förvänta oss att den slutar blekna och återväxer i ljusstyrka, medan om J221951 är en tidvattenstörning, skulle vi förvänta oss att den fortsätter att blekna. Vi kommer att behöva fortsätta observera J221951 under de närmaste månaderna och åren för att fånga dess sena beteende."

Läs också:

• Det supermassiva svarta hålet Sagittarius A* vaknade för 200 år sedan
• Ett utstött svart hål rasar genom rymden tillsammans med en svans av babystjärnor