中文 |

News Updates

Black hole preying on a star probably responsible for a weird long GRB

Dec 08, 2008


A computer animation of the supernova-free progenitor for GRB 060614: an intermediate mass black hole gulping a solar-type star triggers an intense blast of γ rays. (Credit: Prof. LU Ye)


    A recent study by Chinese astronomers suggests that the weird behavior of a γ-ray burst (GRB) detected in 2006 might have been fueled by an intermediate mass black hole (IMBH) gulping a star, rather than a massive star collapsing to form a black hole. This provides an alternative model explaining the origin of some long GRBs and has stirred a new wave of controversy on the source of such intense electromagnetic radiations from extremely distant universe, which for a long time constituted the biggest mystery in high-energy astronomy.

    The GRB of interest, named GRB 060614, caught the eye of the astronomers because it showed no link to any supernova, which is unusual for a long GRB that lasted for 102 seconds. "This suggests that the current classification and fuel model for GRBs need to be revised." Remarks Prof. LU Ye from the National Astronomical Observatories, CAS (NAOC), who proposed a new model in issue 684, volume 1330 of The Astrophysical Journal together with Prof. HUANG Yongfeng from Nanjing University and Prof. ZHANG Shuangnan from Tsinghua University.

    GRBs are intense and short blasts of γ rays billons of light years away from the Earth.  Before they were first spotted as a byproduct of their efforts to detect possible nuclear tests in violation of the atmospheric nuclear test ban treaty, these spooky light emissions were totally unknown to astronomers, though they actually visit the planet about once a day. More surprisingly, recent developments in related research indicate that GRBs occur about 500 times a day. We can only see one out of every 500 such events just because our planet is often unfavorably aligned with their trajectories and therefore miss their waves.

    The origin of GRBs has been confusing astronomers since their discovery. Where do they come from? What have triggered the powerful radiations? In the early days of GRB research, it was so controversial that hypotheses about their origins even outnumbered the observed GRBs themselves!!

    Accumulated evidence later helped astronomers focus on two hypotheses for GRB progenitors. For a long GRB that lasts more than 2 seconds, the collapse of the core of a massive star is belived to be the cause; and for a short one that lasts less than 2 seconds, the merger of a binary system of neutron stars or black holes would be the source. The former model, for which a new term the "collapsar" has been coined, argues that when the collapsing star core forms a black hole, a big explosion is triggered inside the core, sending a blast wave transmitting through the outer layers of the star. This blast wave bombards the stellar material in the outer layers, producing γ rays. Moreover, when bursting into the space, it collides with vicinal matter like gases and dust, and produces another kind of radiations that are less powerful as γ rays, which form the "afterglow" of a GRB.

    The "collapsar" model has gained widespread support among astronomers since the optical spectrum of an afterglow detected in March 2003 was found to be almost identical to that of a supernova, and later more "signatures" of supernovae were found in GRB afterglows. Because the collapse, on which the model is built, is hypothesized to be caused by the explosion of the outer layers of a massive star-the burst of a supernova, the clear proof of supernova link greatly boosts this model.

    With the discovery of GRB 060614, however, astronomers might need to reconsider the classification and fuel model of them. "GRB 060614 cannot be grouped into any conventional type of GRBs." The authors say.

    Obviously, GRB 060614 represents a maverick long GRB event, because it showed no link to any supernova. The three Chinese astronomers therefore jointly fix a new model to explain this abnormality, suggesting that GRB 060614 might have been fueled by the energy released by an IMBH gulping a star. The IMBH is estimated to be at least as big as 1×104 solar masses, and the star it was devouring had about the same mass and size as the Sun. The prey star, which happened to be close enough to the black hole, was distorted and quashed into a pancake by the strong tidal forces of the black hole and dropped into its heart.

    The tremendous damage, described as "tidal disruption" in the paper, resulted from the great difference between the gravity forces exerted by the IMBH on different parts of the poor prey. This unbearable imbalance of tension destructively twisted and wrested the star. Similar effects are ubiquitous in our cosmos, though what we generally see tends to be much milder, like the tides caused by the imbalanced gravity forces exerted by the Moon on different parts of our planet. It could be cruel and violent, however, when it involves a mighty predator, like a black hole.

    While dropping into the unfathomable black hole, the wreckage of the prey star or the "blobs" formed a transient accretion disk, which in turn threaded the black hole and extracted a large amount of rotational energy, creating two counter-moving jets along the rotation axis of the black hole. The powerful jets could have been an ideal energy reservoir for a GRB, according to the authors' calculation.

    The new model can reasonably explain all the observed basic features of this unusual GRB, including the duration, pulse energy, periodicity of the pulses, and most importantly, the absence of supernova link.

    Besides, the model estimates that the blobs might fall into the black hole in an interesting way. The blobs, according to the authors, fall neither uniformly nor completely unsystematically. "They seemed to fall in group," suggest the authors, meanwhile stress that the detailed modulation of the falling mechanism remains largely uncertain and needs further investigations.

    Such maverick GRBs, as predicted by the authors, might not be rare in our cosmos. Evidence suggests that about 6% GRBs could be of GRB 060614-type.

    Naturally, the new fuel model stirred a new wave of discussion about IMBHs, whose existence is still hotly disputed and for which astronomers are still searching for direct evidence. Recent theoretical work, however, has given their possible density and occurring rate in the Milky Way. If these predictions are confirmed by observations, there could be 1,000 to 10,000 IMBHs in our native galaxy.

    Given all the uncertain factors, the team agrees that still many parameters need to be settled for more accurate and detailed a description of the producing mechanism of these weird long GRBs without any link to supernovae. Nevertheless, their work has provided a viable model, and it might have opened up a new window to IMBH studies.
Contact Us
  • 86-10-68597521 (day)

    86-10-68597289 (night)

  • 86-10-68511095 (day)

    86-10-68512458 (night)

  • cas_en@cas.cn

  • 52 Sanlihe Rd., Xicheng District,

    Beijing, China (100864)

Copyright © 2002 - Chinese Academy of Sciences