Rotacija zvezde pre susreta objašnjava slabljenje bleska

Zvezde koje prežive blizak susret sa supermasivnom crnom rupom i vrate se na nove prolaske gube deo mase svaki put, ali kod četiri od desetak poznatih takvih sistema svaki naredni blesak svetlosti bio je slabiji od prethodnog, a dosadašnji modeli nisu umeli da objasne zašto. Tim astrofizičara sa Univerziteta Sirakuza sada tvrdi da odgovor leži u osobini koju niko nije uzimao u obzir: brzini kojom se zvezda već vrtela pre nego što ju je crna rupa prvi put zahvatila. Izvori se razilaze oko datuma objave: rad je u časopisu izašao 19. avgusta, saopštenje univerziteta je usledilo 20. avgusta, a šire je prenet 23. avgusta.

Kada zvezda prođe suviše blizu supermasivne crne rupe, razlika u gravitacionom privlačenju između njene bliže i dalje strane, takozvana plimska sila, može je rasparčati u potpunosti. To je klasičan događaj plimskog razaranja. Deo razbijene materije potom pada, odnosno akrecira, na crnu rupu i pritom oslobađa svetlost tokom perioda od nekoliko dana do nekoliko meseci, što astronomima posredno omogućava da proučavaju objekat koji sam po sebi ne zrači. Ako zvezda ne priđe dovoljno blizu da bude uništena odjednom, gubi samo deo mase, a preživelo jezgro nastavlja da kruži oko crne rupe i vraća se na nove bliske prolaske u razmaku od nekoliko meseci do nekoliko godina. Takav ponovljeni događaj naučnici zovu delimično plimsko razaranje koje se ponavlja. Isti tim je u ranijem radu već pokazao da plimska sila crne rupe, osim što otkida materiju, deluje i obrtnim momentom koji zvezdu dodatno ubrza pri svakom prolasku.

Zagonetka koja je mučila tim dve godine

Do sada je pronađeno oko 10 sistema u kojima se ista zvezda opetovano vraća crnoj rupi i svaki put gubi deo materije umesto da bude uništena odjednom. U četiri od njih svaki naredni blesak slabiji je od prethodnog, i to je dugo izgledalo neobjašnjivo. Smanjena količina otkinute materije delovala je kao očigledan uzrok, ali ranije hidrodinamičke simulacije pokazale su suprotno: čak i kada zvezda gubi sve manje mase, predviđeni blesak ostaje približno iste sjajnosti, jer ubrzana rotacija skraćuje vreme povratka materije i time nadoknađuje manjak.

“Bili smo zbunjeni ovim dve godine”, rekla je Ananja Bandopadaj, doktorandkinja na Odseku za fiziku Univerziteta Sirakuza, u saopštenju ustanove.

Nedostajao je, kako ga je Bandopadaj nazvala, jedan novi sastojak: zvezda koja je već pre prvog susreta rotirala veoma brzo. Nova studija pokazuje da takva zvezda ne može biti mnogo dodatno ubrzana pri narednim prolascima, pa vreme za koje otkinuti gas pada nazad na crnu rupu ostaje približno isto iz prolaska u prolazak. Pošto zvezda pritom svaki put gubi manje materije, vrhunac dotoka gasa opada, a s njim i sjaj bleska, tačno onako kako to teleskopi beleže.

Zašto bi zvezda već rotirala tako brzo pre prvog susreta?

Ostalo je pitanje zašto bi zvezda uopšte već rotirala tako brzo pre nego što je crna rupa prvi put dohvati.

“Takođe je izuzetno teško vezati zvezdu za supermasivnu crnu rupu toliko čvrsto da je obiđe za nekoliko meseci, a ipak izgleda da one to rade u ovim događajima koji se ponavljaju”, rekao je Erik Koflin, vanredni profesor na Odseku za fiziku Univerziteta Sirakuza, u saopštenju ustanove.

Odgovor bi mogao da bude takozvani Hilsov raspad. Po tom mehanizmu, dvojni sistem dve zvezde koje kruže tesno jedna oko druge prolazi pored supermasivne crne rupe, čija gravitacija razdvoji par: jednu zvezdu izbaci iz sistema, a drugu zarobi u sopstvenoj orbiti. U tesnom dvojnom sistemu zvezde često postanu plimski zaključane, što znači da svaka rotira oko sopstvene ose istom brzinom kojom par kruži jedna oko druge. Što je dvojni sistem tešnji, to je orbitalni period kraći i rotacija plimski zaključane zvezde brža, pa dvojni sistem dovoljno tesan da posle raspada ostavi zvezdu na kratkoj orbiti kakva se vidi u ovim ponovljenim događajima mora ostaviti i zvezdu koja se već brzo vrti.

Koliko materije zvezda izgubi pri svakom prolasku zavisi i od njene unutrašnje građe. Bandopadaj upoređuje zvezdu male mase sa mekim, rastresitim kolačem od belanaca, sve podložnijim plimskim silama crne rupe iz prolaska u prolazak. Zvezda veće mase ima gušće zbijeno jezgro, slojevito poput luka, pa gubi spoljne slojeve dok jezgro ostaje relativno netaknuto, što znači da sa svakim narednim prolaskom gubi sve manje mase. Te razlike u građi objašnjavaju zašto se ponovljeni događaji plimskog razaranja ne ponašaju svi na isti način.

“Ananjin rad pokazuje da svaka od ovih neobičnosti može da se objasni istom osnovnom pojavom: plimskim razaranjem dvojnog sistema i zarobljavanjem jedne od zvezda. Sa teorijskog stanovišta, ovo je veliki korak napred u našem razumevanju fizike koja deluje u ovim sistemima”, rekao je Koflin.

Koflin dodaje da bi Hilsov raspad mogao da objasni i poreklo nekih zvezda koje danas kruže oko Sagitarijusa A*, supermasivne crne rupe u centru Mlečnog puta, u onome što naziva “našim sopstvenim kosmičkim dvorištem”.

Šta ova studija ne dokazuje

Rad, čiji je prvi autor Bandopadaj, uz Amenda, Koflina i saradnike sa drugih ustanova, potpisuju istraživači sa Odseka za fiziku Univerziteta Sirakuza, a objavljen je u časopisu The Astrophysical Journal pod oznakom 10.3847/1538-4357/ae8f31. Zaključci se oslanjaju na hidrodinamičke simulacije, ne na direktno posmatranje rotacije same zvezde, jer se brzina rotacije zvezde pre prvog susreta ne može izmeriti neposredno na tolikoj udaljenosti. Uzorak od desetak poznatih ponovljenih delimičnih plimskih razaranja, od kojih samo četiri pokazuju slabljenje bleska, ostaje mali za bilo kakvo statističko uopštavanje. Studija takođe ne dokazuje da je baš Hilsov raspad stvarno stvorio posmatrane zvezde, on samo ostaje mehanizam koji bi mogao da objasni i njihovu brzu rotaciju i njihovu neuobičajeno tesnu orbitu istovremeno. Da li se to zaista i dogodilo moraće da potvrde dodatna posmatranja i, po mogućstvu, otkriće novih ponovljenih događaja u narednim pregledima neba.