Røntgenpuls detekteret nær begivenhedshorisonten, mens sort hul fortærer stjerne

Den 22. nov. 2014, astronomer opdagede en sjælden begivenhed på nattehimlen:Et supermassivt sort hul i midten af ​​en galakse, næsten 300 millioner lysår fra Jorden, river en forbipasserende stjerne fra hinanden. Begivenheden, kendt som en tidevandsafbrydelse, flare, for det sorte huls massive tidevandstræk, der river en stjerne fra hinanden, skabte et udbrud af røntgenaktivitet nær galaksens centrum. Siden da, et væld af observatorier har trænet deres syn på begivenheden, i håb om at lære mere om, hvordan sorte huller fodrer.

Nu har forskere ved MIT og andre steder søgt gennem data fra flere teleskopers observationer af begivenheden, og opdagede en mærkelig intens, stabil, og periodisk puls, eller signal, af røntgenstråler, på tværs af alle datasæt. Signalet ser ud til at udgå fra et område meget tæt på det sorte huls begivenhedshorisont - punktet ud over hvilket materiale uundgåeligt sluges af det sorte hul. Signalet ser ud til periodisk at lysne og falme hvert 131. sekund, og varer i mindst 450 dage.

Forskerne mener, at det, der udsender det periodiske signal, må kredse om det sorte hul, lige uden for begivenhedshorisonten, nær den inderste stabile cirkulære bane, eller ISCO - den mindste bane, hvori en partikel sikkert kan rejse rundt i et sort hul.

Givet signalets stabile nærhed til det sorte hul, og det sorte huls masse, som forskere tidligere har anslået til at være omkring 1 million gange solens, holdet har beregnet, at det sorte hul snurrer med omkring 50 procent af lysets hastighed.

Fundene, rapporteret i dag i dagbladet Videnskab , er den første demonstration af en tidevandsafbrydelse, der bruges til at estimere et sort huls spin.

Studiets første forfatter, Dheeraj Pasham, en postdoc i MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, siger, at de fleste supermassive sorte huller er i dvale og normalt ikke udsender meget i vejen for røntgenstråling. Kun lejlighedsvis vil de frigive en byge af aktivitet, som når stjerner kommer tæt nok på til, at sorte huller kan fortære dem. Nu siger han, givet holdets resultater, sådanne tidevandsafbrydelsesudbrud kan bruges til at estimere spindet af supermassive sorte huller - en egenskab, der har været, indtil nu, utroligt besværligt at fastlægge.

"Begivenheder, hvor sorte huller river stjerner, der kommer for tæt på dem, kan hjælpe os med at kortlægge spinnene af adskillige supermassive sorte huller, der er i dvale og ellers skjult i galaksernes centre, " siger Pasham. "Dette kunne i sidste ende hjælpe os med at forstå, hvordan galakser udviklede sig over kosmisk tid."

Pashams medforfattere inkluderer Ronald Remillard, Jeroen Homan, Deepto Chakrabarty, Frederick Baganoff, og James Steiner fra MIT; Alessia Franchini ved University of Nevada; Chris Fragile fra College of Charleston; Nicholas Stone fra Columbia University; Eric Coughlin fra University of California i Berkeley; og Nishanth Pasham, af Sunnyvale, Californien.

Et rigtigt signal

Teoretiske modeller af tidevandsafbrydelsesudbrud viser, at når et sort hul river en stjerne fra hinanden, noget af den stjernes materiale kan forblive uden for begivenhedshorisonten, kredsende, i hvert fald midlertidigt, i en stabil bane som ISCO, og afgiver periodiske glimt af røntgenstråler, før de til sidst bliver fodret af det sorte hul. Periodiciteten af ​​røntgenblinkene koder således nøgleinformation om størrelsen af ​​ISCO, som i sig selv er dikteret af, hvor hurtigt det sorte hul spinder.

Pasham og hans kolleger troede, at hvis de kunne se sådanne regelmæssige blink meget tæt på et sort hul, der havde gennemgået en nylig tidevandsforstyrrelse, disse signaler kunne give dem en idé om, hvor hurtigt det sorte hul snurrede.

De fokuserede deres søgning på ASASSN-14li, tidevandsafbrydelseshændelsen, som astronomer identificerede i november 2014, ved hjælp af den jordbaserede All-Sky Automated Survey for SuperNovae (ASASSN).

"Dette system er spændende, fordi vi synes, det er et plakatbarn for tidevandsafbrydelsesudbrud, " siger Pasham. "Denne særlige begivenhed ser ud til at matche mange af de teoretiske forudsigelser."

Holdet så gennem arkiverede datasæt fra tre observatorier, der indsamlede røntgenmålinger af begivenheden siden dens opdagelse:Den Europæiske Rumorganisations XMM-Newton rumobservatorium, og NASAs rumbaserede Chandra og Swift observatorier. Pasham har tidligere udviklet en computerkode til at detektere periodiske mønstre i astrofysiske data, dog ikke specifikt til tidevandsforstyrrelser. Han besluttede at anvende sin kode på de tre datasæt til ASASSN-14li, for at se, om nogle almindelige periodiske mønstre ville stige til overfladen.

Det, han observerede, var en overraskende stærk, stabil, og periodisk udbrud af røntgenstråling, der så ud til at komme fra meget tæt på kanten af ​​det sorte hul. Signalet pulserede hvert 131. sekund, over 450 dage, og var ekstremt intens - omkring 40 procent over det sorte huls gennemsnitlige røntgenlysstyrke.

"Først troede jeg ikke på det, fordi signalet var så stærkt, " siger Pasham. "Men vi så det i alle tre teleskoper. Så i sidste ende, signalet var ægte."

Baseret på signalets egenskaber, og massen og størrelsen af ​​det sorte hul, holdet vurderede, at det sorte hul drejer mindst 50 procent af lysets hastighed.

"Det er ikke superhurtigt - der er andre sorte huller med spin, der anslås at være tæt på 99 procent af lysets hastighed, " siger Pasham. "Men det er første gang, vi er i stand til at bruge tidevandsafbrydelsesudbrud til at begrænse spin af supermassive sorte huller."

Oplyser det usynlige

Da Pasham opdagede det periodiske signal, det var op til teoretikere på holdet at finde en forklaring på, hvad der kunne have genereret det. Holdet kom op med forskellige scenarier, men den, der virker mest tilbøjelig til at generere en så stærk, almindelig røntgenudstråling involverer ikke bare et sort hul, der makulerer en forbipasserende stjerne, men også en mindre type stjerne, kendt som en hvid dværg, kredser tæt på det sorte hul.

Sådan en hvid dværg kan have kredset om det supermassive sorte hul, ved ISCO - den inderste stabile cirkulære bane - i nogen tid. Alene, det ville ikke have været nok at udsende nogen form for detekterbar stråling. For alle formål, den hvide dværg ville have været usynlig for teleskoper, da den kredsede om det relativt inaktive, spindende sort hul.

Engang omkring den 22. nov. 2014, en anden stjerne passerede tæt nok på systemet til at det sorte hul rev det fra hinanden i en tidevandsafbrydelse, der udsendte en enorm mængde røntgenstråling, i form af varme, strimlet stjernemateriale. Da det sorte hul trak dette materiale indad, noget af stjerneaffaldet faldt ned i det sorte hul, mens nogle blev lige udenfor, i den inderste stabile bane - den selvsamme bane, som den hvide dværg kredsede i. Da den hvide dværg kom i kontakt med dette varme stjernemateriale, det slæbte det sandsynligvis med sig som en slags lysende overfrakke, belyse den hvide dværg i en intens mængde røntgenstråler, hver gang den kredsede om det sorte hul, hvert 131. sekund.

Forskerne indrømmer, at et sådant scenarie ville være utroligt sjældent og kun ville vare i flere hundrede år højst - et blink med øjet i kosmiske skalaer. Chancerne for at opdage et sådant scenarie ville være yderst ringe.

"Problemet med dette scenarie er, at hvis du har et sort hul med en masse, der er 1 million gange solens, og en hvid dværg kredser om det, så på et tidspunkt over blot et par hundrede år, den hvide dværg vil styrte ned i det sorte hul, " siger Pasham. "Vi ville have været ekstremt heldige at finde sådan et system. Men i det mindste med hensyn til systemets egenskaber, dette scenarie ser ud til at fungere."

Resultaternes overordnede betydning er, at de viser, at det er muligt at begrænse spindet af et sort hul, fra tidevandsforstyrrelser, ifølge Pasham. Fremadrettet, han håber at kunne identificere lignende stabile mønstre i andre stjerneknusningsbegivenheder, fra sorte huller, der ligger længere tilbage i rum og tid.

"I det næste årti, vi håber at opdage flere af disse begivenheder, " siger Pasham. "At estimere spins af flere sorte huller fra tidens begyndelse til nu ville være værdifuldt i forhold til at estimere, om der er en sammenhæng mellem spindet og alderen for sorte huller."