Zwarte gaten eten sterren onder wisselend sfeerlicht

Als een zwart gat een ster opeet, zien we dat ofwel in zichtbaar licht, ofwel in röntgenlicht, maar bijna nooit allebei. Astronoom Peter Jonker (SRON/Radboud Universiteit) en zijn collega’s hebben nu een aantal ingevangen sterren gesignaleerd met een röntgentelescoop enkele jaren nadat ze visueel zijn ontdekt. Zwarte gaten blijken toch op eenzelfde manier te dineren, waarbij het sfeerlicht volgens vast patroon verandert. Publicatie in The Astrophysical Journal.

(English follows Dutch)

In de kernen van sterrenstelsels liggen in het pikkedonker enorme zwarte gaten verscholen. Als een roofdier wachten ze geduldig tot een nietsvermoedende ster voorbij vliegt, en trekken hem dan met hun overweldigende zwaartekracht uiteen in een spaghettisliert om die uiteindelijk op te slorpen. Astronomen zien zo’n schouwspel soms in zichtbaar licht, soms in röntgenlicht, maar bijna nooit met beide kleuren licht tegelijk. Hebben zwarte gaten twee verschillende manieren om een ster op te eten?

Zichtbaar naar röntgen

Sterrenkundige Peter Jonker (SRON/Radboud Universiteit) en zijn internationale collega’s vinden nu met de Chandra röntgentelescoop een aantal bronnen terug die een paar jaar geleden nog waren gesignaleerd in zichtbaar licht. Het lijkt er op dat een ster die wordt opgegeten eerst zichtbaar licht uitzendt en daarna röntgenlicht. Zwarte gaten verschillen onderling dus toch weinig van elkaar qua eetgedrag, waarbij het sfeerlicht wel volgens vast patroon verandert tijdens het diner, van zacht wit tot kil fel röntgen. Jonkers bevinding kan meteen al getest worden door gegevens te combineren van de recent gelanceerde röntgensatelliet eROSITA—een voorloper van grote broer Athena—en telescopen die in zichtbaar licht de hemel af speuren, zoals de BlackGEM-telescoop die nu onder leiding van de Radboud Universiteit in Chili wordt geïnstalleerd.

Botsing

Een ingevangen ster wordt eerst uitgerekt tot zo’n lange sliert rondom een zwart gat dat hij zichzelf tegenkomt na een volledig rondje. Die botsing zorgt er voor dat de sliert hoogte verliest en richting het zwarte gat valt. Jonker heeft twee mogelijke verklaringen voor zijn theorie dat er daarbij eerst zichtbaar licht vrijkomt en vervolgens röntgenstraling.

De eerste optie is dat we het zichtbare licht zien door de energie die vrijkomt bij de botsing, en dat we het röntgenlicht zien doordat er potentiële energie verloren gaat bij de val richting het zwarte gat. De sliert—inmiddels meer een gasstroom— gaat dan gloeien als een zogenoemde zwarte straler, met een karakteristieke curve als spectrum die een piek heeft bij laag-energetisch röntgenlicht.

De tweede optie is dat ook de botsing zelf al röntgenlicht uitzendt, maar er een dichte wolk ontstaat die het röntgenlicht absorbeert en opnieuw uitzendt als zichtbaar licht. Pas als er voldoende stermateriaal verdwenen is, is de wolk dun genoeg om het röntgenlicht door te laten, inclusief de röntgenstraling als gevolg van de val met bijhorend verlies van potentiële energie.

Draaiing

Een consequentie van Jonkers theorie is dat er een verband bestaat tussen de draaiing van zwarte gaten en de hoeveelheid röntgenstraling die sterren uitzenden als ze worden opgegeten. Of zwarte gaten überhaupt draaien is momenteel niet bekend. Als eROSITA jaarlijks honderden spaghettislierten zal zien, zegt de theorie dat zwarte gaten draaien. Mochten er slechts enkele per jaar worden gedetecteerd dan wijst dat op stilstaande zwarte gaten.
Headerfoto credit: NASA/JPL-Caltech/JHU/UCSC

Publicatie

P.G. Jonker, N.C. Stone, A. Generozov, S. van Velzen and B. Metzger, ‘ implications from late-time x-ray detections of optically selected tidal disruption events: state changes, unification, and detection rates’, The Astrophysical Journal

Black holes eat stars in variable mood lighting

When a black hole chews up a star, we see this either in visible light or in X-rays, but almost never through both types of radiation. Astronomer Peter Jonker (SRON / Radboud University) and his colleagues have now spotted a number of captured stars with an X-ray telescope, a few years after they were discovered in optical light. It appears that black holes all dine in the same way after all, while the mood lighting varies according to a fixed pattern. Publication in The Astrophysical Journal.

All across the Universe, gigantic black holes are lurking in the dark within centers of galaxies. Like an ambush predator they patiently wait for unsuspecting stars to fly by, then use their overwhelming gravity to pull it apart into a spaghetti strand and finally swallow it up. Astronomers sometimes see this spectacle in visible light, sometimes in X-rays, but almost never in both types of light at the same time. Do black holes have two different ways of eating a star?

From visual to X-ray

Astronomer Peter Jonker (SRON / Radboud University) and his international colleagues now see a number of sources with the Chandra X-ray telescope that were identified in the optical a few years earlier. It appears that a star, in the process of being devoured, first radiates visible light and subsequently emits X-rays. So black holes have a lot in common after all in terms of eating behavior, while the mood lighting during dinner changes according to a fixed pattern, from gentle white to pale bright X-rays. Jonker’s finding can soon be tested by combining data from the recently launched X-ray satellite eROSITA—a predecessor of Athena—and telescopes that sweep the sky in visible light, such as the BlackGEM telescope which is currently being installed in Chile under supervision of Radboud University.

Collision

A captured star is stretched into such a long string that it encounters itself after a full orbit around a black hole, like a snake biting its tail. That collision causes the string to lose altitude and fall towards the black hole. Jonker has two possible explanations for his theory that visible light and X-rays are both released, strictly in that order.

The first option is that we see the visible light because of the energy released during the collision, and that we see the X-rays because potential energy is lost during the drop towards the black hole. The string—at this point more like a gas stream—starts to glow like a so-called black body, with a characteristic curve as a spectrum that peaks in soft X-rays.

The second option is that the collision itself emits X-rays, but a dense cloud emerges that absorbs the X-rays and re-emits them as visible light. Only when enough star material has disappeared, the cloud is thin enough to allow the X-rays to pass through, including the X-ray radiation as a result of the plunge with associated loss of potential energy.

Rotation

A consequence of Jonker’s theory is that there is a connection between the rotation of black holes and the amount of X-rays emitted by stars while being eaten. Whether black holes rotate at all is currently unknown. If eROSITA will see hundreds of spaghetti strands every year, the theory says that black holes are rotating. If only a few are detected each year, it would indicate stationary black holes.
Header image credit: NASA/JPL-Caltech/JHU/UCSC