Astronomowie zaobserwowali wiatr gwiazdowy w układzie Hercules X-1 i po raz pierwszy stworzyli jego dwuwymiarową mapę.
Dysk akrecyjny to ogromny wir gazu i pyłu, który gromadzi się wokół czarnej dziury lub gwiazdy neutronowej, gdy ta przyciąga pobliską materię, na przykład z bliskiej gwiazdy. Gdy dysk wiruje, wytwarza potężne wiatry, które popychają i ciągną rozległy obszar rotującej plazmy. Te potężne wypływy mogą wpływać na otoczenie czarnych dziur poprzez ogrzewanie i wydmuchiwanie gazu i pyłu wokół nich.
W ogromnych skalach wiatry gwiazdowe mogą umożliwiać opisanie, jak supermasywne czarne dziury kształtują całe galaktyki. Astronomowie zaobserwowali oznaki wiatrów dyskowych w wielu układach, w tym w akreujących czarnych dziurach i gwiazdach neutronowych. Jednak do tej pory udało im się zobaczyć jedynie bardzo wąski wycinek tego zjawiska.
Teraz astronomowie z Massachusetts Institute of Technology (MIT) zaobserwowali szerszy zakres wiatrów w Hercules X-1 – układzie, w którym gwiazda neutronowa odciąga materię od gwiazdy podobnej do Słońca. Dysk akrecyjny tej gwiazdy neutronowej jest wyjątkowy, ponieważ w trakcie wirowania „chwieje się” (tj. precesuje). Wykorzystując to zjawisko, astronomowie uchwycili różne perspektywy obracającego się dysku i po raz pierwszy stworzyli dwuwymiarową mapę jego wiatrów.
Nowa mapa ujawniła pionowy kształt i strukturę wiatru, jak również jego prędkość – wynoszącą setki kilometrów na sekundę, czyli stosunkowo niewielką jak na to, co dyski akrecyjne mogą rozkręcić. Jeżeli w przyszłości astronomowie będą w stanie dostrzec więcej takich chybotliwych układów, technika mapowania opracowana przez zespół może pomóc w określeniu, w jaki sposób wiatry dyskowe wpływają na formowanie się i ewolucję układów gwiazdowych, a nawet całych galaktyk.
W przyszłości moglibyśmy mapować wiatry dyskowe w szeregu obiektów i określić, jak właściwości wiatru zmieniają się na przykład wraz z masą czarnej dziury lub z ilością materii, którą ona akreuje – powiedział Peter Kosec, doktor habilitowany w Kavli Institute for Astrophysics and Space Research w MIT, autor artykułu opublikowanego 10 kwietnia 2023 roku w „Nature Astronomy”. To pomoże określić, jak czarne dziury i gwiazdy neutronowe wpływają na nasz Wszechświat.
Poprawione widzenie
Wiatry dyskowe najczęściej obserwowano w rentgenowskich układach podwójnych, w których czarna dziura lub gwiazda neutronowa wyciąga materię z mniej gęstego towarzysza i wytwarza rozgrzany do białości dysk materii opadającej po spirali wraz z wypływającym wiatrem. Nie wiadomo dokładnie, jak wiatry są emitowane z tych układów. Niektórzy badacze proponują, że pola magnetyczne mogą rozdrabniać dysk i wyrzucać część materii na zewnątrz jako wiatr. Inni twierdzą, że promieniowanie gwiazdy neutronowej może ogrzewać i odparowywać powierzchnię dysku w gorących podmuchach.
O pochodzeniu wiatru można wnioskować na podstawie jego struktury, ale kształt i zasięg wiatrów dyskowych jest trudny do ustalenia. Większość układów podwójnych wytwarza dyski akrecyjne o stosunkowo równym kształcie, przypominającym cienkie pączki gazu, które wirują w jednej płaszczyźnie. Astronomowie, którzy badają te dyski za pomocą satelitów i teleskopów, mogą obserwować efekty wiatrów dyskowych jedynie w ustalonym i wąskim zakresie względem rotującego dysku. Każdy wiatr, który astronomowie zdołają wykryć, jest więc małym wycinkiem jego większej struktury.
Możemy badać właściwości wiatru tylko w jednym punkcie i jesteśmy całkowicie ślepi na wszystko wokół tego jednego punktu – zauważa Kosec.
W 2020 roku on i jego współpracownicy zdali sobie sprawę, że jeden z układów podwójnych może umożliwić obserwację szerszego obrazu wiatrów dyskowych. Hercules X-1 wyróżnia się spośród większości znanych rentgenowskich układów podwójnych skrzywionym dyskiem akrecyjnym, który chwieje się, gdy wiruje wokół centralnej gwiazdy neutronowej układu.
Dysk naprawdę chwieje się w okresie 35 dni, a wiatry mają swój początek gdzieś w dysku i przecinają w tym czasie naszą linię widzenia na różnych wysokościach nad dyskiem – wyjaśnia Kosec. To bardzo wyjątkowa właściwość tego układu, która pozwala nam lepiej zrozumieć pionowe właściwości jego wiatru.
Wypaczone chybotanie
W nowym badaniu naukowcy obserwowali Herculesa X-1 za pomocą dwóch teleskopów rentgenowskich – XMM-Newton i Chandra.
To, co mierzymy, to promieniowanie X, czyli ilość fotonów promieniowania rentgenowskiego, które docierają do naszych detektorów, w stosunku do ich energii. Mierzymy linie absorpcyjne, czyli brak światła rentgenowskiego przy bardzo konkretnych energiach – powiedział Kosec. Na podstawie stosunku siły różnych linii możemy określić temperaturę, prędkość i ilość plazmy w wietrze dyskowym.
Dzięki „skrzywionemu” dyskowi Hercules X-1 astronomowie byli w stanie zaobserwować linię dysku poruszającą się w górę i w dół podczas jego chwiania się i rotacji. W rezultacie badacze mogli zaobserwować oznaki wiatrów dyskowych na zmieniających się wysokościach względem dysku, a nie na jednej, stałej wysokości nad jednolicie obracającym się dyskiem.
Mierząc emisję promieniowania rentgenowskiego i linie absorpcyjne, gdy dysk chybotał i rotował w czasie, badacze mogli określić jego fizyczne właściwości takie jak temperatura i gęstość wiatru na różnych wysokościach względem dysku, po czym skonstruować dwuwymiarową mapę pionowej struktury tego wiatru.
Widzimy, że wiatr wznosi się pod kątem 12 stopni względem dysku, gdy rozszerza się w przestrzeni – powiedział Kosec. Staje się też chłodniejszy, bardziej zbity i słabszy na większych wysokościach nad dyskiem.
Zespół planuje porównać swoje obserwacje z teoretycznymi symulacjami różnych mechanizmów wyrzucania wiatru, aby sprawdzić, które z nich najlepiej wyjaśniają jego pochodzenie. W dalszej kolejności uczeni mają też nadzieję odkryć więcej układów skrzywionych i chwiejących się, a także stworzyć mapę struktur ich wiatrów dyskowych. Wtedy dopiero będą mieli szerszy pogląd na wiatry dyskowe i na to, jak takie wypływy wpływają na otoczenie – szczególnie w dużo większych skalach.
Jak supermasywne czarne dziury wpływają na kształt i strukturę galaktyk? Jedna z popularniejszych hipotez głosi, że wiatry dyskowe wystrzeliwane z czarnej dziury mogą determinować wygląd samej galaktyk. Teraz możemy uzyskać bardziej szczegółowy obraz tego, jak są one wystrzeliwane i jak wyglądają – podsumowuje Erin Kara.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Scientists map gusty winds in a far-off neutron star system
- Vertical wind structure in an X-ray binary revealed by a precessing accretion disk
Źródło: MIT
Na ilustracji: Wizja artystyczna zmapowanego wiatru dyskowego wokół gwiazdy podobnej do Słońca. Źródło: Jose-Luisa Olivaresa z MIT. Na podstawie zdjęcia Herkulesa X-1 autorstwa D. Klochkova, Europejska Agencja Kosmiczna
