Røntgenforstørrelsesglas forbedrer visningen af ​​fjerne sorte huller

Ved at drage fordel af en naturlig linse i rummet, astronomer har fanget et hidtil uset kig på røntgenstråler fra et sort hul-system i det tidlige univers.

Dette forstørrelsesglas blev brugt til at skærpe røntgenbilleder for første gang ved hjælp af NASAs Chandra X-ray Observatory. Det fangede detaljer om sorte huller, der normalt ville være for fjerne til at studere ved hjælp af eksisterende røntgenteleskoper.

Astronomer anvendte et fænomen kendt som "gravitationslinser", der opstår, når den vej, som lyset fra fjerne objekter tager, bøjes af en stor massekoncentration, såsom en galakse, der ligger langs sigtelinjen. Denne linse kan forstørre og forstærke lyset i store mængder og skabe duplikerede billeder af det samme objekt. Konfigurationen af ​​disse dublerede billeder kan bruges til at tyde objektets kompleksitet og skærpe billeder.

Det gravitationslinsede system i den nye undersøgelse kaldes MG B2016+112. Røntgenstrålerne opdaget af Chandra blev udsendt af dette system, da universet kun var 2 milliarder år gammelt, sammenlignet med dens nuværende alder på næsten 14 milliarder år.

"Vores bestræbelser på at se og forstå sådanne fjerne objekter i røntgenstråler ville være dømt, hvis vi ikke havde et naturligt forstørrelsesglas som dette, " sagde Dan Schwartz fra Center for Astrofysik, Harvard &Smithsonian (CfA), der ledede undersøgelsen.

Den seneste forskning bygger på tidligere arbejde ledet af medforfatter Cristiana Spingola, i øjeblikket ved det italienske nationale institut for astrofysik (INAF) i Bologna, Italien. Ved hjælp af radioobservationer af MG B2016+112, hendes hold fandt beviser for et par hurtigt voksende supermassive sorte huller adskilt af kun omkring 650 lysår. De fandt ud af, at begge sorte hul-kandidaterne muligvis har jetfly.

Ved at bruge en gravitationslinsemodel baseret på radiodata, Schwartz og hans kolleger konkluderede, at de tre røntgenkilder, de detekterede fra MG B2016+112-systemet, må være et resultat af linseindsigten af ​​to forskellige objekter. Disse to røntgenstråleudsendende objekter er sandsynligvis et par voksende supermassive sorte huller eller et voksende supermassive sorte hul og dets stråle. Den anslåede adskillelse af disse to objekter stemmer overens med radioarbejdet.

Tidligere Chandra-målinger af par eller trioer af voksende supermassive sorte huller har generelt involveret objekter meget tættere på Jorden, eller med meget større afstande mellem objekterne. En røntgenstråle i endnu større afstand fra Jorden er tidligere blevet observeret, med lys udsendt, da universet kun var 7% af sin nuværende alder. Imidlertid, emissionen fra strålen er adskilt fra det sorte hul med omkring 160, 000 lysår.

Det nuværende resultat er vigtigt, fordi det giver afgørende information om væksthastigheden af ​​sorte huller i det tidlige univers og påvisningen af ​​et muligt dobbelt sort hul-system. Tyngdekraftslinsen forstærker lyset fra disse fjerntliggende objekter, som ellers ville være for svage til at opdage. Det detekterede røntgenlys fra et af objekterne i MG B2016+112 kan være op til 300 gange lysere, end det ville have været uden linsen.

"Astronomer har opdaget sorte huller med masser milliarder af gange større end vores sols, der blev dannet blot hundreder af millioner af år efter big bang, da universet kun var nogle få procent af sin nuværende alder, " sagde Spingola. "Vi ønsker at løse mysteriet om, hvordan disse supermassive sorte huller fik masse så hurtigt."

Forøgelserne fra gravitationslinser kan gøre det muligt for forskere at vurdere, hvor mange systemer, der indeholder to supermassive sorte huller, der har adskillelser, der er små nok til at producere gravitationsbølger, der kan observeres i fremtiden med rumbaserede detektorer.

"På mange måder, dette resultat er et spændende proof-of-concept af, hvordan dette 'forstørrelsesglas' kan hjælpe os med at afsløre fysikken i de fjerne supermassive sorte huller i en ny tilgang. Uden denne effekt ville Chandra have været nødt til at observere det et par hundrede gange længere og selv da ville han ikke afsløre de komplekse strukturer, " sagde medforfatter Anna Barnacka fra CfA og Jagiellonian University, der udviklede teknikkerne til at omdanne gravitationslinser til højopløselige teleskoper for at skærpe billederne.

"Takket være gravitationslinser kan meget længere Chandra-observationer være i stand til at skelne mellem det sorte hul-par og det sorte hul plus jet-forklaringer. Vi ser også frem til at anvende denne teknik i fremtiden, især da undersøgelser fra store nye optiske og radiofaciliteter, der snart vil komme i drift, vil levere titusindvis af mål, " konkluderede Schwartz.

Usikkerheden i røntgenpositionen af ​​et af objekterne i MG B2016+112 er 130 lysår i én dimension og 2, 000 lysår i den anden, vinkelret dimension. Dette betyder, at størrelsen af ​​det område, hvor kilden sandsynligvis er placeret, er mere end 100 gange mindre end det tilsvarende område for en typisk Chandra-kilde, der ikke er linset. En sådan præcision i en positionsbestemmelse er uden sidestykke i røntgenastronomi for en kilde på denne afstand.

Et papir, der beskriver disse resultater, vises i augustudgaven af The Astrophysical Journal .