Astronomer observerer udviklingen af ​​et sort hul, mens det vælter stjernemateriale ned

Den 11. marts et instrument ombord på den internationale rumstation opdagede en enorm eksplosion af røntgenlys, der voksede til at være seks gange så skarp som Krabbetågen, næsten 10, 000 lysår væk fra Jorden. Forskere fastslog, at kilden var et sort hul fanget midt i et udbrud - en ekstrem fase, hvor et sort hul kan udspy strålende udbrud af røntgenenergi, mens det fortærer en lavine af gas og støv fra en nærliggende stjerne.

Nu har astronomer fra MIT og andre steder opdaget "ekkoer" inden for denne byge af røntgenstråling, som de mener kunne være et fingerpeg om, hvordan sorte huller udvikler sig under et udbrud. I en undersøgelse offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur , holdet rapporterer beviser på, at når det sorte hul forbruger enorme mængder af stjernemateriale, dens korona - haloen af ​​højt-energiserede elektroner, der omgiver et sort hul - krymper markant, fra en første flade på omkring 100 kilometer (omkring bredden af ​​Massachusetts) til blot 10 kilometer, på lidt over en måned.

Resultaterne er det første bevis på, at koronaen skrumper, når et sort hul føder, eller accreter. Resultaterne tyder også på, at det er koronaen, der driver et sort huls udvikling i den mest ekstreme fase af dets udbrud.

"Det er første gang, vi har set denne slags beviser på, at det er koronaen, der skrumper under denne særlige fase af udbrudsudviklingen, " siger Jack Steiner, en forsker ved MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Coronaen er stadig ret mystisk, og vi har stadig en løs forståelse af, hvad det er. Men vi har nu beviser for, at det, der udvikler sig i systemet, er strukturen af ​​selve koronaen."

Steiners MIT-medforfattere omfatter Ronald Remillard og førsteforfatter Erin Kara.

Røntgen-ekkoer

Det sorte hul, der blev opdaget den 11. marts, fik navnet MAXI J1820+070, for det instrument, der har registreret det. Missionen Monitor of All-sky X-ray Image (MAXI) er et sæt røntgendetektorer installeret i det japanske eksperimentmodul på den internationale rumstation (ISS), der overvåger hele himlen for røntgenudbrud og udbrud.

Kort efter at instrumentet opfangede det sorte huls udbrud, Steiner og hans kolleger begyndte at observere begivenheden med NASAs neutronstjerne Interior Composition Explorer, eller pænere, et andet instrument ombord på ISS, som blev designet delvist af MIT, at måle mængden og timingen af ​​indkommende røntgenfotoner.

"Dette blomstrende lyse sorte hul kom på scenen, og det var næsten helt usynligt, så vi fik et meget uberørt billede af, hvad der foregik, siger Steiner.

Et typisk udbrud kan opstå, når et sort hul suger enorme mængder materiale væk fra en nærliggende stjerne. Dette materiale akkumuleres omkring det sorte hul, i en hvirvlende hvirvel, kendt som en tilvækstskive, som kan strække sig over millioner af kilometer på tværs. Materiale i skiven, der er tættere på midten af ​​det sorte hul, spinder hurtigere, genererer friktion, der varmer disken op.

"Gassen i midten er millioner af grader i temperatur, " siger Steiner. "Når du opvarmer noget så varmt, det lyser ud som røntgenstråler. Denne skive kan gennemgå laviner og hælde sin gas ned i det centrale sorte hul med et Mount Everests gas pr. sekund. Og det er, når det går i udbrud, som normalt varer omkring et år."

Forskere har tidligere observeret, at røntgenfotoner, der udsendes af tilvækstskiven, kan ping-pong-pong af højenergielektroner i et sort huls korona. Steiner siger, at nogle af disse fotoner kan spredes "ud i det uendelige, " mens andre spredes tilbage på accretion-skiven som røntgenstråler med højere energi.

Ved at bruge NICER, holdet var i stand til at indsamle ekstremt præcise målinger af både energien og timingen af ​​røntgenfotoner under hele det sorte huls udbrud. Afgørende, de opfangede "ekkoer, " eller halter mellem lavenergifotoner (dem, der oprindeligt kan være blevet udsendt af accretionskiven) og højenergifotoner (de røntgenstråler, der sandsynligvis havde interageret med koronaens elektroner). I løbet af en måned, forskerne observerede, at længden af ​​disse forsinkelser faldt betydeligt, hvilket indikerer, at afstanden mellem koronaen og tilvækstskiven også krympede. Men var det skiven eller coronaen, der var ved at rykke ind?

For at svare på dette, forskerne målte en signatur, som astronomerne kender som "jernlinjen" - en egenskab, der kun udsendes af jernatomerne i en tilvækstskive, når de får energi, såsom ved refleksion af røntgenfotoner fra en koronas elektroner. Jern, derfor, kan måle den indre grænse af en accretion disk.

Da forskerne målte jernlinjen gennem udbruddet, de fandt ingen målbar forandring, tyder på, at selve disken ikke ændrede sig i form, men forbliver relativt stabil. Sammen med beviserne for en aftagende røntgenforsinkelse, de konkluderede, at det måtte være coronaen, der var ved at ændre sig, og krymper som følge af det sorte huls udbrud.

"Vi ser, at coronaen starter, da den er oppustet, 100 kilometer klat inde i den indre tilvækstskive, skrumper derefter ned til noget i retning af 10 kilometer, over en måned, " siger Steiner. "Dette er det første utvetydige tilfælde af en corona, der krymper, mens disken er stabil."

"NICER har givet os mulighed for at måle lysekkoer tættere på et sort hul med stjernemasse end nogensinde før, Kara tilføjer. "Tidligere blev disse lysekkoer fra den indre tilvækstskive kun set i supermassive sorte huller, som er millioner til milliarder af solmasser og udvikler sig over millioner af år. Stellar sorte huller som J1820 har meget lavere masse og udvikler sig meget hurtigere, så vi kan se ændringer udspille sig på menneskelige tidsskalaer."

Selvom det er uklart, hvad der præcist får coronaen til at trække sig sammen, Steiner spekulerer i, at skyen af ​​højenergielektroner bliver klemt af det overvældende tryk, der genereres af tilvækstskivens indfaldende lavine af gas.

Resultaterne giver ny indsigt i en vigtig fase af et sort huls udbrud, kendt som en overgang fra en hård til en blød tilstand. Forskere har vidst, at på et tidspunkt tidligt i et udbrud, et sort hul skifter fra en "hård" fase, der er domineret af koronaens energi, til en "blød" fase, der er styret mere af accretion diskens emissioner.

"Denne overgang markerer en fundamental ændring i et sort huls tilvækstmåde, " siger Steiner. "Men vi ved ikke præcis, hvad der foregår. Hvordan går et sort hul over fra at være domineret af en korona til dets skive? Flytter disken ind og tager over, eller ændres og forsvinder coronaen på en eller anden måde? Dette er noget, folk har forsøgt at opklare i årtier. Og nu er dette et endegyldigt stykke arbejde med hensyn til, hvad der sker i denne overgangsfase, og at det, der ændrer sig, er coronaen."