Zagadka niebieskich błysków właśnie pękła. Trop prowadzi do zaskakującego sprawcy

Niebieskie błyski w kosmosie jednak nie są supernowymi. Nowe dane wskazują na czarną dziurę, która w kilka dni zmieliła masywną gwiazdę.

Przez lata astronomowie głowili się, co stoi za krótkimi, oślepiająco jasnymi niebieskimi rozbłyskami, które na kilka dni rozświetlają kosmos, a potem dogasają, zostawiając po sobie echo w promieniach X i radiu. Teraz rekordowy rozbłysk AT 2024wpp wreszcie przechylił szalę. Zamiast egzotycznej supernowej czy kaprysu gwiazdy mamy jednego głównego winowajcę: czarną dziurę, która w ekspresowym tempie rozerwała na strzępy swoją masywną gwiazdę towarzyszkę.

Niebieskie błyski, które nie pasowały do żadnej szufladki

Od mniej więcej dekady w danych z teleskopów co jakiś czas pojawia się ten sam motyw: nagłe, bardzo jasne rozbłyski światła na niebie, trwające zaledwie kilka dni. Są wyjątkowo gorące, dlatego widać je głównie jako intensywnie niebieskie światło i ultrafiolet. Po fazie fajerwerków zostają tylko słabnące promienie radiowe. Zjawiska te dostały swoją nazwę: LFBOT.

Pierwszy taki obiekt zaobserwowano w 2014 r., ale dopiero rozbłysk z 2018 r., o oznaczeniu AT 2018cow, dał na tyle dużo danych, iż dostał swój przydomek: Cow. Później astronomowie ochrzcili kolejne LFBOT-y żartobliwymi nazwami: Koala, Tasmanian Devil, Finch. Wszystkie miały jeden, wspólny problem, a mianowicie żaden z tych obiektów nie zachowywał się jak supernowa ani jak klasyczny wybuch związany z czarną dziurą.

AT 2024wpp – rekordowy błysk, na który wszyscy czekali

Punktem zwrotnym okazał się rozbłysk AT 2024wpp, żartobliwie nazywany Woodpeckerem. Ten LFBOT wykryto w galaktyce oddalonej o około 1,1 mld lat świetlnych, a jego jasność przebiła wszystkich poprzedników – był choćby kilka razy bardziej świetlisty niż słynna Krowa.

Tym razem astronomowie mieli szczęście. Obiekt zaobserwowano bardzo wcześnie i od razu sięgnęły po niego najważniejsze instrumenty: teleskopy rentgenowskie Chandra, Swift i NuSTAR, radiowe anteny ALMA i ATCA, a także duże teleskopy optyczne i ultrafioletowe, w tym Kecka i Gemini. Dzięki temu udało się zrekonstruować pełny przebieg zjawiska – od pierwszych dni rozbłysku po powolne wygasanie w falach radiowych.

Istotny był tu był bilans energetyczny. Kiedy zespół z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley policzył, ile energii wyemitował AT 2024wpp, okazało się, iż to około 100 razy więcej niż w typowej supernowej, skondensowane w bardzo krótkim czasie. Żaden znany scenariusz eksplozji gwiazdy nie był w stanie wygenerować takiego wyniku bez łamania podstawowych zasad fizyki. Wniosek był jednoznaczny: LFBOT-y nie są tylko supernowymi w przebraniu. Musi stać za nimi zupełnie inny mechanizm.

Czarna dziura i gwiazda w śmiertelnym tańcu

Nowy model, który najlepiej pasuje do danych z AT 2024wpp, opiera się na układzie podwójnym: bardzo masywnej gwieździe i czarnej dziurze pośredniej masy, liczącej choćby 100 mas Słońca. Tego typu czarne dziury znamy dotąd głównie z detekcji fal grawitacyjnych, gdy zderzają się ze sobą podobnie ciężkie obiekty. Na żywo śledziliśmy je do tej pory wyjątkowo rzadko.

Według badaczy taki układ mógł przez długi czas funkcjonować w swoistej równowadze. Czarna dziura stopniowo wysysała z towarzyszącej gwiazdy gaz, tworząc wokół siebie rozbudowany dysk akrecyjny, czyli rozgrzany wir materii, który krąży z ogromną prędkością. Część tego gazu zalegała w dalszej odległości, jak rozlana mgła wokół wirującego centrum.

W pewnym momencie ta równowaga się załamała. Orbita gwiazdy tak się zmieniła, iż ta podeszła zbyt blisko czarnej dziury. Siły pływowe, czyli różnica grawitacji działającej na bliską i dalszą stronę gwiazdy, stały się na tyle silne, iż dosłownie rozerwały ją na kawałki. To klasyczne zjawisko pływowego rozerwania, ale w wersji ekstremalnej: w kilka dni masywna gwiazda została przemielona i wciągnięta w istniejący już dysk materii.

Dżety prawie jak pociski świetlne

Część materii z rozrywanej gwiazdy nie została w dysku, ale została wyrzucona na zewnątrz w wąskich strugach biegnących wzdłuż osi obrotu czarnej dziury. To tzw. dżety, czyli relatywistyczne strumienie gazu, które w przypadku AT 2024wpp pędziły z prędkością około 40 proc. prędkości światła.

Gdy te dżety wbiły się w rozrzedzony gaz wokół układu, zaczęły świecić w falach radiowych. Z kolei sam dysk akrecyjny odpowiada za dominujące promieniowanie w świetle niebieskim i ultrafiolecie. Porównując ewolucję jasności w różnych zakresach widma, astronomowie byli w stanie odtworzyć nie tylko ilość energii, ale też geometrię całego układu.

Z analizy wynika, iż ofiarą czarnej dziury mogła być gwiazda co najmniej 10 razy masywniejsza od Słońca, najpewniej typu Wolf-Rayet. To bardzo gorące, już wypalone gwiazdy, które spaliły większość swojego wodoru. Tłumaczy to słabe linie wodoru w widmie AT 2024wpp – gwiazda po prostu nie miała go już zbyt wiele.

Jeden scenariusz dla całej rodziny LFBOT-ów

Najciekawsze jest to, iż ten sam mechanizm, czyli czarna dziura pośredniej masy, która w ekspresowym tempie rozrywa masywną gwiazdę w układzie podwójnym, bardzo dobrze pasuje nie tylko do AT 2024wpp, ale także do wcześniejszych, bardziej zagadkowych LFBOT-ów.

Wszystkie pojawiają się w galaktykach, gdzie intensywnie rodzą się nowe gwiazdy. To naturalne środowisko dla masywnych, krótko żyjących gwiazd oraz dla ich ciężkich potomków w postaci czarnych dziur. jeżeli takie obiekty często tworzą ciasne układy podwójne, to wcześniej czy później dochodzi w nich do takiego samego finału: gwiazda zbacza z bezpiecznej orbity, wpada w zasięg niszczących sił pływowych i w ciągu kilku dni zostaje zamieniona w kosmiczny fajerwerk.

To właśnie dlatego badacze mówią dziś o jednym sprawcy całej znanej rodziny tajemniczych błękitnych błysków. Różnią się one detalami, jasnością czy otoczeniem, ale główny mechanizm – ekstremalne pływowe rozerwanie gwiazdy przez czarną dziurę pośredniej masy – wydaje się wspólnym mianownikiem.

Na razie astronomowie trafiają na LFBOT-y bardzo rzadko, mniej więcej raz w roku. To w dużej mierze kwestia szczęścia – trzeba patrzeć we adekwatne miejsce i we właściwym momencie, zanim rozbłysk zgaśnie. Sytuacja może jednak diametralnie się zmienić wraz z wyniesieniem na orbitę nowych teleskopów wyspecjalizowanych w obserwacjach ultrafioletu.

Planowane misje ULTRASAT i UVEX mają właśnie polować na krótkotrwałe, bardzo gorące zjawiska, takie jak LFBOT-y. Dzięki nim takie obiekty mogą stać się w pewnym sensie codziennością w astrofizycznych biuletynach, tak jak dziś regularnie raportuje się kolejne rozbłyski gamma. Różnica będzie taka, iż każdy nowy LFBOT dostarczy kolejnego fragmentu układanki o tym, jak powstają i rosną czarne dziury pośredniej masy oraz jak kończą życie najbardziej masywne gwiazdy we Wszechświecie.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI