Astronomer bruger kosmisk ekkolokalisering til at kortlægge det sorte huls omgivelser

Materiale, der falder ned i et sort hul, kaster røntgenstråler ud i rummet – og nu har astronomer brugt ekkoerne fra denne stråling til at kortlægge den dynamiske adfærd og omgivelserne i selve et sort hul.

De fleste sorte huller er for små på himlen til, at vi kan bestemme deres umiddelbare omgivelser, men vi kan stadig udforske disse mystiske objekter ved at se, hvordan stof opfører sig, når det nærmer sig, og falder i, dem.

Når materialet spiraler mod et sort hul, det varmes op og udsender røntgenstråler, på tur, ekko og giver genklang, når de interagerer med nærliggende gas. Disse områder i rummet er stærkt forvrænget og skæv på grund af det sorte huls ekstreme natur og knusende stærke tyngdekraft.

Nu, forskere har brugt Den Europæiske Rumorganisations XMM-Newton røntgenobservatorium til at spore disse lysekkoer og kortlægge omgivelserne af det sorte hul i kernen af ​​en aktiv galakse. Deres resultater er rapporteret i tidsskriftet Natur astronomi .

Navngivet IRAS 13224-3809, det sorte huls værtsgalakse er en af ​​de mest variable røntgenkilder på himlen, undergår meget store og hurtige udsving i lysstyrke på en faktor 50 på få timer.

"Alle er bekendt med, hvordan ekkoet af deres stemme lyder anderledes, når de taler i et klasseværelse sammenlignet med en katedral - dette skyldes simpelthen geometrien og materialerne i rummene, som får lyd til at opføre sig og hoppe rundt anderledes, " sagde Dr. William Alston fra Cambridge's Institute of Astronomy, hovedforfatter af den nye undersøgelse.

"På lignende måde vi kan se, hvordan ekkoer af røntgenstråling forplanter sig i nærheden af ​​et sort hul for at kortlægge et områdes geometri og tilstanden af ​​en stofklump, før den forsvinder ind i singulariteten. Det er lidt ligesom kosmisk ekko-lokalisering."

Da dynamikken i indfaldende gas er stærkt forbundet med egenskaberne af det forbrugende sorte hul, Alston og hans kolleger var også i stand til at bestemme massen og spin af galaksens centrale sorte hul ved at observere stoffets egenskaber, mens det spiralerede indad.

Materialet danner en skive, når det falder ned i det sorte hul. Over denne skive ligger et område af varme elektroner - med temperaturer på omkring en milliard grader - kaldet corona. Mens forskerne forventede at se efterklangsekkoerne, de brugte til at kortlægge regionens geometri, de opdagede også noget uventet:selve koronaen ændrede sig hurtigt i størrelse, over et spørgsmål om dage.

"Når koronaens størrelse ændrer sig, det samme gør lyset ekko - lidt ligesom hvis katedralens loft bevæger sig op og ned, ændre, hvordan ekkoet af din stemme lyder, " sagde Alston.

"Ved at spore lysekkoerne, vi var i stand til at spore denne skiftende corona, og - hvad der er endnu mere spændende - få meget bedre værdier for det sorte huls masse og spin, end vi kunne have fastslået, hvis koronaen ikke ændrede sig i størrelse. Vi ved, at det sorte huls masse ikke kan svinge, så alle ændringer i ekkoet skal være ned til det gasformige miljø."

Undersøgelsen brugte den længste observation af et tiltagende sort hul nogensinde taget med XMM-Newton, indsamlet over 16 rumfartøjer i kredsløb i 2011 og 2016 og i alt 2 millioner sekunder - lidt over 23 dage. Det her, kombineret med den stærke og kortsigtede variabilitet af selve det sorte hul, gjorde det muligt for Alston og samarbejdspartnere at modellere ekkoerne omfattende over daglange tidsskalaer.

Området, der udforskes i denne undersøgelse, er ikke tilgængeligt for observatorier såsom Event Horizon Telescope, som formåede at tage det første billede nogensinde af gas i umiddelbar nærhed af et sort hul - det der sidder i midten af ​​den nærliggende massive galakse M87. Resultatet, baseret på observationer udført med radioteleskoper over hele verden i 2017 og offentliggjort sidste år, blev en global sensation.

"Event Horizon Telescope-billedet blev taget ved hjælp af en metode kendt som interferometri - en teknik, der kun kan fungere på de få nærmeste supermassive sorte huller til Jorden, såsom dem i M87 og i vores hjemmegalakse, Mælkevejen, fordi deres tilsyneladende størrelse på himlen er stor nok til at metoden virker, " sagde medforfatter Michael Parker, som er ESA-forsker ved European Space Astronomy Center nær Madrid.

"Derimod vores tilgang er i stand til at sondere de nærmeste par hundrede supermassive sorte huller, der aktivt forbruger stof – og dette tal vil stige markant med opsendelsen af ​​ESA's Athena-satellit."

At karakterisere miljøerne tæt omkring sorte huller er et centralt videnskabeligt mål for ESA's Athena-mission, som er planlagt til lancering i begyndelsen af ​​2030'erne og vil afsløre hemmelighederne bag det varme og energiske univers.

Måling af massen, Spin- og tilvæksthastigheder for en stor prøve af sorte huller er nøglen til at forstå tyngdekraften i hele kosmos. Derudover da supermassive sorte huller er stærkt forbundet med deres værtsgalakses egenskaber, disse undersøgelser er også nøglen til at fremme vores viden om, hvordan galakser dannes og udvikler sig over tid.

"Det store datasæt leveret af XMM-Newton var afgørende for dette resultat, sagde Norbert Schartel, ESA XMM-Newton Project Scientist. "Efterklangskortlægning er en teknik, der lover at afsløre meget om både sorte huller og det bredere univers i de kommende år. Jeg håber, at XMM-Newton vil udføre lignende observationskampagner for flere aktive galakser i de kommende år, så metoden er fuldt etableret, når Athena lancerer."