Mapowanie „świetlnego echa” nowej czarnej dziury

Naukowcy scharakteryzowali otoczenie czarnej dziury o masie gwiazdowej (10 mas Słońca) wykorzystując Neutron star Interior Composition Explorer (NICER) znajdujący się na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. NICER wykrył promieniowanie rentgenowskie z niedawno odkrytej czarnej dziury nazwanej MAXI J1820+070 (w skrócie J1820), gdy ta pochłania materię ze swojego gwiezdnego towarzysza. Fale promieni rentgenowskich tworzyły „świetlne echa”, które odbijały się od gazu wirującego w pobliżu czarnej dziury i wykazywały zmiany w rozmiarze i kształcie otoczenia.

„NICER pozwolił nam zmierzyć echa świetlne gwiazdowej bliżej czarnej dziury, niż kiedykolwiek wcześniej. Wcześniej echa świetlne odbijające się od wewnętrznego dysku akrecyjnego były widoczne tylko u supermasywnych czarnych dziur, których masy sięgają od milionów do miliardów Słońc i powoli ulegają zmianom. Gwiazdowe czarne dziury, takie jak J1820, mają znacznie niższe zmiany i ewoluują znacznie szybciej, więc widzimy zmiany, które rozgrywają się w ludzkich skalach czasowych” – mówi Erin Kara, astrofizyk z University of Maryland w College Park i Goddard Space Flight Center NASA, która przedstawiła te wyniki na 233 zjeździe American Astronomical Society w Seatlle.

J1820 znajduje się około 10 000 lat świetlnych stąd w gwiazdozbiorze Lwa. Gwiazda towarzysząca w tym układzie została zidentyfikowana w przeglądzie Gaia, który umożliwił naukowcom oszacowanie odległości. Astronomowie nie byli świadomi obecności czarnej dziury aż do 11 marca 2018 roku, kiedy to wybuch został zauważony przez Monitor of All-sky X-ray Image (MAXI) Japońskiej Agencji Kosmicznej, także znajdujący się na pokładzie ISS. J1820 przeszła w ciągu kilku dni z etapu zupełnie nieznanej czarnej dziury do jednego z najjaśniejszych źródeł na rentgenowskim niebie. NICER szybko się przesunął, aby uchwycić tę dramatyczną zmianę i dalej podążać za gasnącym ogonem erupcji.

Czarna dziura może wysysać gaz z pobliskiej gwiazdy towarzyszącej do pierścienia materii zwanego dyskiem akrecyjnym. Siły grawitacyjne i magnetyczne ogrzewają dysk do milionów stopni, dzięki czemu jest on wystarczająco gorący, aby wytwarzać promieniowanie X w wewnętrznej części dysku, w pobliżu czarnej dziury. Wybuchy pojawiają się, gdy niestabilność dysku powoduje przepływ gazu do wewnątrz, w kierunku czarnej dziury, jak lawina. Przyczyny niestabilności dysku są słabo poznane.

Nad dyskiem znajduje się korona, obszar cząstek subatomowych o temperaturze około miliarda stopni Celsjusza, który świeci w promieniowaniu rentgenowskim o wyższej energii. Pozostaje wiele tajemnic dotyczących kwestii pochodzenia i ewolucji korony. Niektóre teorie sugerują, że struktura może reprezentować wczesną formę strumienia (dżetu) cząstek o dużych prędkościach, które często emitują tego typu układy.

Astrofizycy chcą lepiej zrozumieć, w jaki sposób wewnętrzna krawędź dysku akrecyjnego i korona ponad nim zmieniają się pod względem wielkości i kształtu, gdy czarna dziura gromadzi materię od swojej gwiazdy towarzyszącej. Gdy będą potrafili zrozumieć, jak i dlaczego zmiany te zachodzą w czarnych dziurach o masach gwiazdowych w ciągu kilku tygodni, naukowcy będą mogli rzucić światło na to, jak supermasywne czarne dziury ewoluują przez miliony lat i jak wpływają one na galaktyki, w których przebywają.

Jedną z metod wykorzystywanych do charakteryzowania tych zmian jest tzw. mapowanie pogłosu promieniowania rentgenowskiego, które wykorzystuje odbicia tego promieniowania w podobny sposób, w jaki sonar wykorzystuje fale dźwiękowe do odwzorowania terenu podmorskiego. Niektóre promienie rentgenowskie z korony wędrują wprost w naszym kierunku, podczas gdy inne rozświetlają dysk i odbijają z powrotem z różnymi energiami i pod różnymi kątami.

Mapowanie pogłosu promienia rentgenowskiego czarnych dziur wykazało, że wewnętrzna krawędź dysku akrecyjnego znajduje się bardzo blisko horyzontu zdarzeń. Korona również jest zwarta, leży bliżej czarnej dziury, niż większa część dysku akrecyjnego. Poprzednie obserwacje ech rentgenowskich z gwiazdowych czarnych dziur sugerowały jednak, że wewnętrzna krawędź dysku akrecyjnego może być dość odległa, do setek razy więcej, niż rozmiar horyzontu zdarzeń. J1820 o masie gwiazdowej jednak zachowywała się bardziej, jak jej supermasywne kuzynki.

Gdy badali obserwacje z NICER J1820, zespół Kary zauważył zmniejszenie opóźnienia między początkowym rozbłyskiem promieniowania X pochodzącego bezpośrednio z korony i echa błysku z dysku, co wskazuje, że promieniowanie rentgenowskie przebyło krótszy odcinek, zanim zostało odbite.

Aby potwierdzić skrócenie czasu opóźnienia w wyniku zmiany w koronie, a nie dysku, naukowcy wykorzystali sygnał wytworzony, gdy promienie rentgenowskie z korony zderzają się z atomami żelaza w dysku, powodując ich fluorescencję. Czas płynie wolniej w silniejszym polu grawitacyjnym i przy większych prędkościach, co stwierdza teoria względności Einsteina. Kiedy atomy żelaza najbliżej czarnej dziury są bombardowane promieniowaniem z jądra korony, promieniowanie rentgenowskie, które emitują, zostaje rozciągnięte, ponieważ czas płynie wolniej, niż dla obserwatora (w tym przypadku jest to NICER).

Zespół Kary odkrył, że rozciągnięta linia żelaza K J1820 pozostała stała, co oznacza, że wewnętrzna krawędź dysku pozostała blisko czarnej dziury – podobnie do supermasywnej czarnej dziury. Jeżeli zmniejszony czas opóźnienia został wywołany przez wewnętrzną krawędź dysku poruszającą się jeszcze bardziej do wewnątrz, wówczas linia żelaza K mogłaby się rozciągnąć jeszcze bardziej.

Obserwacje te dają naukowcom nowe spojrzenie na to, w jaki sposób materia wpływa do czarnej dziury i jak uwalniana jest energia w tym procesie.

Obserwacje NICER dotyczące J1820 nauczyły astronomów czegoś nowego o czarnych dziurach o masach gwiazdowych i o tym, jak możemy wykorzystać je analogiczne do badań supermasywnych czarnych dziur i ich wpływu na tworzenie się galaktyk. W pierwszym roku działalności NICER astronomowie widzieli cztery podobne zdarzenia i wygląda na to, że jesteśmy na skraju ogromnego przełomu w astronomii rentgenowskiej.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
NASA

Dodaj komentarz

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.