Insight-HXMT opdager nærmest højhastigheds-jet til sort hul

Insight-HXMT, Kinas første rumrøntgen-astronomiske satellit, har opdaget en lavfrekvent kvasi-periodisk oscillation (QPO) over 200 kiloelektronvolt (keV) i et sort hul binært, hvilket gør det til den højeste energi lavfrekvente QPO nogensinde fundet. Forskerne fandt også ud af, at QPO stammede fra præcessionen af ​​en relativistisk jet (højhastigheds udadgående plasmastrøm) nær begivenhedshorisonten for det sorte hul. Disse opdagelser har vigtige konsekvenser for løsningen af ​​den langvarige debat om den fysiske oprindelse af lavfrekvente QPO'er.

Dette arbejde, udgivet online i Natur astronomi den 21. sept. blev primært udført af forskere fra Institute of High Energy Physics (IHEP) ved det kinesiske videnskabsakademi (CAS), University of Southampton (Storbritannien), Eberhard Karls Universitet i Tübingen (Tyskland), og Shanghai Astronomical Observatory of CAS.

Lavfrekvente QPO'er, opdaget i 1980'erne, er en almindelig observationstidsfunktion i forbigående sorte hul-binære filer. De er kvasi-periodiske, men ikke præcist periodisk, modulationer i lyskurver. I mere end 30 år, oprindelsen af ​​lavfrekvente QPO'er blev ikke forstået. De to mest populære modeller, der forklarer deres oprindelse, er:1) Oscillationerne er forårsaget af ustabiliteten af ​​accretionskiven, når stof roterer rundt og til sidst falder ned i det sorte hul; og 2) de kvasi-periodiske røntgenmodulationer frembringes af oscillationen eller præcessionen af ​​det koronale røntgenstråleudsendende område tæt på det sorte hul.

Før æraen med Insight-HXMT, Røntgensatellitter kunne kun detektere og studere lavfrekvente QPO'er under 30 keV; dermed, det var svært at teste disse modeller. Insight-HXMT, i modsætning, har et bredt effektivt energiområde på 1-250 keV og har det største effektive areal over 30 keV. Derfor, efter at Insight-HXMT blev lanceret, videnskabsmænd forventede, at det ville opdage rige lavfrekvente QPO'er over 30 keV, og dermed fuldt ud kunne teste tidligere modeller.

Det nye sorte hul røntgen-binære MAXI J1820+070, bestående af et sort hul med flere solmasser og en ledsagerstjerne, begyndte at gennemgå et udbrud den 11. marts, 2018. Det har været en af ​​de lyseste røntgenkilder på himlen i lang tid. Insight-HXMT reagerede hurtigt og udførte pegende observationer med høj kadence på denne kilde i flere måneder, akkumulerer en enorm mængde observationsdata.

Baseret på disse data, forskerne fandt ud af, at den lavfrekvente QPO af MAXI J1820+070 optrådte i et bredt energiområde, og dets maksimale detektionsenergi oversteg 200 keV, hvilket er næsten en størrelsesorden højere end tidligere QPO'er observeret af andre teleskoper, hvilket indikerer, at QPO ikke kunne komme fra den termiske strålingsregion af accretion disken. Yderligere undersøgelser afslørede, at QPO'ens frekvens og variabilitetsamplitude er energiuafhængige, og at QPO'en med høj energi går forud for den lavenergiske.

Disse resultater var utvetydigt i konflikt med de fleste eksisterende modeller. Derfor, forskerne foreslog, at lavfrekvent QPO blev produceret ved præcession af et jetfly nær det sorte huls begivenhedshorisont; præcessionen var sandsynligvis forårsaget af den generel relativitetsteoris rammetrækkende effekt, genereret af rotationen af ​​det sorte hul.

Jetfly er højhastighedsstofstrømme, der bevæger sig tæt på lysets hastighed. Masser af jetfly er blevet observeret i sorte huls binære filer og fjerne kvasarer, der er vært for supermassive sorte huller (dvs. dem af millioner til titusinder af milliarder af solmasser) i radioen, optiske og røntgenbånd. Jetfly er en vigtig observationskarakteristik af sorte hulsystemer, og er de vigtigste måder, hvorpå sorte huller påvirker det omgivende miljø via feedback, når de sluger nærliggende stof.

Imidlertid, disse jetfly er langt fra sorte huller. De er normalt placeret i en afstand på mere end en million gange det sorte huls begivenhedshorisont. På så lang afstand, det sorte huls gravitationskraft har faktisk ingen effekt. Derfor, det er uklart, hvor disse jetfly genereres, hvor langt de er fra de sorte huller, hvordan de kan undslippe de sorte hullers stærke gravitationsfelt og hvordan de accelereres til en hastighed tæt på lysets hastighed.

Insight-HXMTs opdagelse er særlig vigtig, fordi det er første gang, et jetfly er blevet fundet kun hundrede af kilometer væk fra et sort hul (dvs. flere gange det sorte huls begivenhedshorisont). Som det nærmeste relativistiske jetfly, der hidtil er observeret i et sort hul, fundet er af stor betydning for at studere de relativistiske effekter, dynamiske processer og strålingsmekanismer.