Uventede periodiske opblussen kan kaste lys over sorte huls tilvækst

ESA's røntgenrumteleskop XMM-Newton har opdaget aldrig før set periodiske udbrud af røntgenstråling, der kommer fra en fjern galakse, der kunne hjælpe med at forklare nogle gådefulde adfærd af aktive sorte huller.

XMM-Newton, det mest kraftfulde røntgenobservatorium, opdagede nogle mystiske glimt fra det aktive sorte hul i kernen af ​​galaksen GSN 069, omkring 250 millioner lysår væk. Den 24. december 2018, kilden sås pludselig at øge sin lysstyrke med op til en faktor 100, dæmpede derefter tilbage til dets normale niveauer inden for en time og tændte igen ni timer senere.

"Det var fuldstændig uventet, " siger Giovanni Miniutti, af Centro de Astrobiología i Madrid, Spanien, hovedforfatter til et nyt papir offentliggjort i tidsskriftet Natur i dag.

"Kæmpe sorte huller flimrer regelmæssigt som et stearinlys, men de hurtige, gentagne ændringer set i GSN 069 fra december og frem er noget helt nyt."

Yderligere observationer, udført med XMM-Newton samt NASAs Chandra røntgenobservatorium i de følgende par måneder, bekræftede, at det fjerne sorte hul stadig holdt tempoet, udsender næsten periodiske udbrud af røntgenstråler hver niende time. Forskerne kalder det nye fænomen 'kvasi-periodiske udbrud, " eller QPE'er.

"Røntgenstrålingen kommer fra materiale, der samles i det sorte hul og opvarmes i processen, " forklarer Giovanni.

"Der er forskellige mekanismer i tilvækstskiven, der kan give anledning til denne type kvasi-periodiske signaler, potentielt forbundet med ustabilitet i tilvækststrømmen tæt på det centrale sorte hul.

"Alternativt udbruddene kunne skyldes vekselvirkningen mellem skivematerialet og et andet legeme - et andet sort hul eller måske en rest af en stjerne, der tidligere er blevet forstyrret af det sorte hul."

Selvom det aldrig før er observeret, Giovanni og hans kolleger tror, ​​at periodiske udbrud som disse faktisk kan være ret almindelige i universet.

Det er muligt, at fænomenet ikke var blevet identificeret før, fordi de fleste sorte huller i kernerne af fjerne galakser, med masser af millioner til milliarder af gange vores sols masse, er meget større end den i GSN 069, som kun er omkring 400.000 gange mere massiv end vores sol.

Jo større og mere massivt det sorte hul, jo langsommere udsvingene i lysstyrken kan den vise, så et typisk supermassivt sort hul ville bryde ud ikke hver niende time, men hvert par måneder eller år. Dette ville gøre detektion usandsynlig, da observationer sjældent strækker sig over så lange tidsperioder.

Og der er mere. Kvasi-periodiske udbrud som dem fundet i GSN 069 kunne give en naturlig ramme til at fortolke nogle forvirrende mønstre observeret i en betydelig brøkdel af aktive sorte huller, hvis lysstyrke synes at variere for hurtigt til let at kunne forklares med nuværende teoretiske modeller.

"Vi kender til mange massive sorte huller, hvis lysstyrke stiger eller falder af meget store faktorer inden for dage eller måneder, mens vi ville forvente, at de ville variere i et meget langsommere tempo, " siger Giovanni.

"Men hvis noget af denne variation svarer til stignings- eller henfaldsfaserne af udbrud svarende til dem, der blev opdaget i GSN 069, så den hurtige variabilitet af disse systemer, som i øjeblikket forekommer umuligt, naturligt kunne redegøres for. Nye data og yderligere undersøgelser vil fortælle, om denne analogi virkelig holder."

De kvasi-periodiske udbrud spottet i GSN 069 kunne også forklare en anden spændende egenskab observeret i røntgenstrålingen fra næsten alt lys, tiltagende supermassive sorte huller:det såkaldte 'bløde overskud'.

Det består i øget emission ved lave røntgenenergier, og der er stadig ingen konsensus om, hvad der forårsager det, med en førende teori, der påberåber sig en sky af elektroner, der varmes op i nærheden af ​​tilvækstskiven.

Ligesom lignende sorte huller, GSN 069 exhibits such a soft X-ray excess during bursts, but not between eruptions.

"We may be witnessing the formation of the soft excess in real time, which could shed light on its physical origin, " says co-author Richard Saxton from the XMM-Newton operation team at ESA's astronomy centre in Spain.

"How the cloud of electrons is created is currently unclear, but we are trying to identify the mechanism by studying the changes in the X-ray spectrum of GSN 069 during the eruptions."

The team is already trying to pinpoint the defining properties of GSN 069 at the time when the periodic eruptions were first detected to look for more cases to study.

"One of our immediate goals is to search for X-ray quasi-periodic eruptions in other galaxies, to further understand the physical origin of this new phenomenon, " adds co-author Margherita Giustini of Madrid's Centro de Astrobiología.

"GSN 069 is an extremely fascinating source, with the potential to become a reference in the field of black hole accretion, siger Norbert Schartel, ESA's XMM-Newton project scientist.

The discovery would not have been possible without XMM-Newton's capabilities.

"These bursts happen in the low energy part of the X-ray band, where XMM-Newton is unbeatable. We will certainly need to use the observatory again if we want to find more of these kinds of events in the future, slutter Norbert.

"Nine-hour X-ray quasi-periodic eruptions from a low-mass black hole galactic nucleus, " by G. Miniutti et al., er udgivet i Natur .