Naukowcy scharakteryzowali otoczenie czarnej dziury o masie gwiazdowej dziesięciu mas Słońca wykorzystując instrument Neutron star Interior Composition Explorer (NICER) znajdujący się na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. NICER wykrył promieniowanie rentgenowskie z niedawno odkrytej czarnej dziury nazwanej MAXI J1820+070 (w skrócie J1820). Pochłania ona materię ze swojego gwiezdnego towarzysza, a fale promieni rentgenowskich tworzyły „świetlne echa”, które odbijają się od gazu wirującego w pobliżu czarnej dziury i powodują zmiany w rozmiarze i kształcie otoczenia.
NICER pozwolił nam zmierzyć echa świetlne gwiazdowej czarnej dziury bliżej niż kiedykolwiek wcześniej. Wcześniej echa świetlne odbijające się od wewnętrznego dysku akrecyjnego były widoczne tylko w supermasywnych czarnych dziurach, których masy sięgają od milionów do miliardów Słońc, i które zmieniają się bardzo powoli. Gwiazdowe czarne dziury, takie jak J1820, ewoluują znacznie szybciej, obserwujemy więc zmiany, które rozgrywają się w ludzkiej skali czasowej – mówi Erin Kara, astrofizyk z University of Maryland w College Park i Goddard Space Flight Center NASA, która przedstawiła te wyniki na 233. zjeździe American Astronomical Society w Seattle.
J1820 znajduje się około dziesięciu tysięcy lat świetlnych stąd, w gwiazdozbiorze Lwa. Gwiazda towarzysząca w tym układzie została zidentyfikowana w przeglądzie Gaia, który umożliwił naukowcom oszacowanie odległości. Astronomowie nie byli świadomi istnienia tej czarnej dziury aż do 11 marca 2018 roku, kiedy to wybuch został zauważony przez Monitor of All-sky X-ray Image (MAXI) Japońskiej Agencji Kosmicznej, także znajdujący się na pokładzie ISS. J1820 przeszła w ciągu kilku dni z etapu zupełnie nieznanej czarnej dziury do jednego z najjaśniejszych źródeł na rentgenowskim niebie. NICER szybko się przesunął, aby uchwycić tę dramatyczną zmianę i dalej podążać za gasnącym ogonem erupcji.
Czarna dziura może wysysać gaz z pobliskiej gwiazdy towarzyszącej do pierścienia materii zwanego dyskiem akrecyjnym. Siły grawitacyjne i magnetyczne ogrzewają dysk do milionów stopni, dzięki czemu jest on wystarczająco gorący, aby wytwarzać promieniowanie X w swojej wewnętrznej dysku, w pobliżu czarnej dziury. Wybuchy pojawiają się, gdy niestabilność dysku powoduje lawinowy przepływ gazu do wewnątrz, w kierunku czarnej dziury. Przyczyny niestabilności dysku są słabo poznane.
Nad dyskiem znajduje się korona –obszar cząstek subatomowych o temperaturze około miliarda stopni Celsjusza, który świeci w promieniowaniu rentgenowskim o wyższej energii. Wciąż jest wiele pytań co do pochodzenia i ewolucji korony. Niektóre teorie sugerują, że struktura ta może reprezentować wczesną formę strumienia (dżetu) cząstek o dużych prędkościach, które są często emitowane przez tego typu układy.
Astrofizycy chcą lepiej zrozumieć, w jaki sposób zmieniają się wielkość i kształt wewnętrznej krawędzi dysku akrecyjnego i korony ponad nim, gdy czarna dziura gromadzi materię ze swojej gwiazdy towarzyszącej. Gdy będą potrafili zrozumieć, jak i dlaczego zmiany te zachodzą w ciągu kilku tygodni w czarnych dziurach o masach gwiazdowych, będą też mogli opisać, jak supermasywne czarne dziury ewoluują przez miliony lat i jak wpływają na galaktyki, w których się znajdują.
Jedną z metod wykorzystywanych do charakteryzowania tych zmian jest tzw. mapowanie pogłosu promieniowania rentgenowskiego, które wykorzystuje odbicia tego promieniowania w podobny sposób, w jaki sonar wykorzystuje fale dźwiękowe do odwzorowania dna morskiego. Niektóre promienie rentgenowskie z korony wędrują wprost w naszym kierunku, podczas gdy inne rozświetlają dysk i odbijają się z powrotem z różną energią i pod różnym kątem.
Mapowanie pogłosu promienia rentgenowskiego czarnych dziur wykazało, że wewnętrzna krawędź dysku akrecyjnego znajduje się bardzo blisko horyzontu zdarzeń. Korona jest zwarta i leży bliżej czarnej dziury niż większa część dysku akrecyjnego. Poprzednie obserwacje echa rentgenowskiego z gwiazdowych czarnych dziur sugerowały jednak, że wewnętrzna krawędź dysku akrecyjnego może być dość odległa (nawet setki razy odleglejsza) niż rozmiar horyzontu zdarzeń. J1820, czarna dziura o masie gwiazdowej, zachowuje się bardziej jak jej supermasywne kuzynki.
Zespół dr Kary na podstawie obserwacji czarnej dziury J1820 za pomocą instrumentu NICER zauważył zmniejszenie opóźnienia między początkowym rozbłyskiem promieniowania X pochodzącego bezpośrednio z korony i echem błysku, co wskazuje, że promieniowanie rentgenowskie przebyło krótszy odcinek, zanim zostało odbite.
Aby potwierdzić skrócenie opóźnienia w wyniku zmiany w koronie, a nie dysku, naukowcy wykorzystali sygnał wytworzony, gdy promienie rentgenowskie z korony zderzają się z atomami żelaza w dysku, powodując ich fluorescencję. Czas płynie wolniej w silniejszym polu grawitacyjnym i przy większych prędkościach – mówi o tym teoria względności Einsteina. Kiedy atomy żelaza najbliżej czarnej dziury są bombardowane promieniowaniem z jądra korony, promieniowanie rentgenowskie, które emitują, zostaje rozciągnięte, ponieważ czas płynie wolniej niż dla obserwatora (w tym przypadku jest to NICER).
Zespół dr Kary odkrył, że rozciągnięta linia żelaza K czarnej dziury J1820 jest stała, co oznacza, że wewnętrzna krawędź dysku pozostała blisko czarnej dziury – podobnie jak w supermasywnej czarnej dziurze. Jeżeli zmniejszony czas opóźnienia został wywołany przez wewnętrzną krawędź dysku poruszającą się jeszcze bardziej do wewnątrz, wówczas linia żelaza K mogłaby się rozciągnąć jeszcze bardziej.
Obserwacje te dają naukowcom nowe spojrzenie na to, w jaki sposób materia wpływa do czarnej dziury i jak uwalniana jest energia w tym procesie.
Obserwacje czarnej dziury J1820 za pomocą instrumentu NICER nauczyły astronomów czegoś nowego o czarnych dziurach o masach gwiazdowych. Dowiedzieliśmy się też, jak możemy wykorzystać je jako analogię w badaniach supermasywnych czarnych dziur i ich wpływu na tworzenie się galaktyk. W pierwszym roku pracy instrumentu NICER astronomowie widzieli cztery podobne zdarzenia i wygląda na to, że jesteśmy na skraju ogromnego przełomu w astronomii rentgenowskiej.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej:
NASA’s NICER Mission Maps ‘Light Echoes’ of New Black Hole
Źródło: NASA
Na zdjęciu: Ilustracja nowo odkrytej czarnej dziury MAXI J1820+070, która wyciąga materię od gwiezdnego towarzysza na dysk akrecyjny. Powyżej dysku znajduje się obszar cząsteczek subatomowych zwany koroną. Źródło: Aurore Simonnet oraz Goddard Space Flight Center NASA.
