Verspreid over ons Melkwegstelsel zijn tientallen miljoenen zwarte gaten – immens sterke zwaartekrachtbronnen in de ruimtetijd, waaruit invallende materie, en zelfs licht, nooit kan ontsnappen. Zwarte gaten zijn per definitie donker, behalve in de zeldzame gevallen dat ze zich voeden. Als een zwart gat gas en stof aanzuigt van een om de aarde draaiende ster, kan het spectaculaire uitbarstingen van röntgenlicht afgeven die weerkaatsen en weerkaatsen op het inspirerende gas, waardoor de extreme omgeving van een zwart gat even wordt verlicht.
Nu zijn MIT-astronomen op zoek naar flitsen en echo’s van nabije röntgendubbelsterren van zwart gat — systemen met een ster die in een baan om een zwart gat draait, en af en toe wordt weggevreten door een zwart gat. Ze analyseren de echo’s van dergelijke systemen om de directe, extreme nabijheid van een zwart gat te reconstrueren.
In een onderzoek dat vandaag in het Astrophysical Journal verschijnt, rapporteren de onderzoekers dat ze een nieuwe geautomatiseerde zoekfunctie gebruiken, die ze de ‘Reverberation Machine’ hebben genoemd, om satellietgegevens te doorzoeken op tekenen van echo’s van zwarte gaten. Tijdens hun zoektocht hebben ze acht nieuwe echo’s van zwarte gaten in onze melkweg ontdekt. Voorheen was bekend dat slechts twee van dergelijke systemen in de Melkweg röntgenecho’s uitzenden.
Door de echo’s van verschillende systemen te vergelijken, heeft het team een algemeen beeld samengesteld van hoe een zwart gat evolueert tijdens een uitbarsting. Over alle systemen heen zagen ze dat een zwart gat eerst een “harde” toestand ondergaat, waarbij een corona van hoogenergetische fotonen wordt opgewekt samen met een straal relativistische deeltjes die met bijna de lichtsnelheid wordt weggeschoten. De onderzoekers ontdekten dat het zwarte gat op een bepaald moment nog een laatste, energierijke flits afgeeft, voordat het overgaat naar een “zachte” toestand met lage energie.
Deze laatste flits kan een teken zijn dat de corona van een zwart gat, het gebied van hoogenergetisch plasma net buiten de grens van een zwart gat, kort uitzet en een laatste uitbarsting van hoogenergetische deeltjes uitwerpt voordat het geheel verdwijnt. Deze bevindingen kunnen helpen verklaren hoe grotere, superzware zwarte gaten in het centrum van een melkwegstelsel deeltjes over enorm kosmische schalen kunnen uitstoten om de vorming van een melkwegstelsel te vormen.
“De rol van zwarte gaten in de evolutie van sterrenstelsels is een uitstekende vraag in de moderne astrofysica”, zegt Erin Kara, assistent-professor natuurkunde aan het MIT. “Interessant is dat deze dubbelsterren van zwarte gaten ‘mini’ superzware zwarte gaten lijken te zijn, en dus door de uitbarstingen in deze kleine, nabijgelegen systemen te begrijpen, kunnen we begrijpen hoe soortgelijke uitbarstingen in superzware zwarte gaten de sterrenstelsels waarin ze zich bevinden beïnvloeden.”
De eerste auteur van de studie is Jingyi Wang, een afgestudeerde MIT-student; andere co-auteurs zijn onder meer Matteo Lucchini en Ron Remillard van het MIT, samen met medewerkers van Caltech en andere instellingen.
advertentie
Röntgenvertragingen
Kara en haar collega’s gebruiken röntgenecho’s om de omgeving van een zwart gat in kaart te brengen, net zoals vleermuizen geluidsecho’s gebruiken om door hun omgeving te navigeren. Wanneer een vleermuis een oproep uitzendt, kan het geluid weerkaatsen tegen een obstakel en als een echo terugkeren naar de vleermuis. De tijd die nodig is voor de terugkeer van de echo is relatief aan de afstand tussen de vleermuis en het obstakel, waardoor het dier een mentale kaart van zijn omgeving krijgt.
Op vergelijkbare wijze wil het MIT-team de directe omgeving van een zwart gat in kaart brengen met behulp van röntgenecho’s. De echo’s vertegenwoordigen tijdvertragingen tussen twee soorten röntgenlicht: licht dat rechtstreeks door de corona wordt uitgezonden en licht van de corona dat weerkaatst op de accretieschijf van inspirerend gas en stof.
De tijd dat een telescoop licht van de corona ontvangt, vergeleken met wanneer hij de röntgenecho’s ontvangt, geeft een schatting van de afstand tussen de corona en de accretieschijf. Kijken hoe deze tijdvertragingen veranderen, kan onthullen hoe de corona en de schijf van een zwart gat evolueren terwijl het zwarte gat stellair materiaal consumeert.
Echo evolutie
In hun nieuwe studie ontwikkelde het team een zoekalgoritme om gegevens te doorzoeken die zijn genomen door NASA’s Neutron star Interior Composition Explorer, of NICER, een röntgentelescoop met hoge resolutie aan boord van het internationale ruimtestation. Het algoritme selecteerde 26 zwarte gat röntgenbinaire systemen waarvan eerder bekend was dat ze röntgenuitbarstingen uitzenden. Van deze 26 ontdekte het team dat 10 systemen dichtbij en helder genoeg waren om röntgenecho’s te onderscheiden tijdens de uitbarstingen. Acht van de 10 waren voorheen niet bekend met het uitzenden van echo’s.
advertentie
“We zien nieuwe kenmerken van weerkaatsing in acht bronnen”, zegt Wang. “De massa van zwarte gaten varieert van vijf tot vijftien keer de massa van de zon, en ze bevinden zich allemaal in binaire systemen met normale, lichte, zonachtige sterren.”
Als nevenproject werkt Kara samen met MIT-onderwijs- en muziekwetenschappers, Kyle Keane en Ian Condry, om de emissie van een typische röntgenecho om te zetten in hoorbare geluidsgolven.
Video-echo’s van een zwart gat: https://youtu.be/iIeIag2Ji8k
De onderzoekers voerden het algoritme vervolgens uit op de 10 binaire bestanden van het zwarte gat en verdeelden de gegevens in groepen met vergelijkbare ‘spectrale timingkenmerken’, dat wil zeggen vergelijkbare vertragingen tussen hoogenergetische röntgenstralen en opnieuw verwerkte echo’s. Dit hielp om de verandering in röntgenecho’s in elk stadium tijdens de uitbarsting van een zwart gat snel te volgen.
Het team identificeerde een gemeenschappelijke evolutie in alle systemen. In de initiële “harde” toestand, waarin een corona en een straal van hoogenergetische deeltjes de energie van het zwarte gat domineren, ontdekten ze korte en snelle tijdsvertragingen, in de orde van milliseconden. Deze harde toestand duurt enkele weken. Vervolgens vindt er een overgang plaats over meerdere dagen, waarin de corona en de straal sputteren en uitsterven, en een zachte toestand het overneemt, gedomineerd door röntgenstraling met lagere energie van de accretieschijf van het zwarte gat.
Tijdens deze moeilijk-naar-zachte overgangstoestand ontdekte het team dat de vertragingen tijdelijk langer werden in alle 10 systemen, wat impliceert dat de afstand tussen de corona en de schijf ook groter werd. Een verklaring is dat de corona kort naar buiten en naar boven kan uitzetten, in een laatste energierijke uitbarsting voordat het zwarte gat het grootste deel van zijn stellaire maaltijd beëindigt en stil wordt.
“We staan aan het begin dat we deze lichtecho’s kunnen gebruiken om de omgevingen die zich het dichtst bij het zwarte gat bevinden te reconstrueren”, zegt Kara. “Nu hebben we aangetoond dat deze echo’s vaak worden waargenomen, en we zijn in staat om verbindingen tussen de schijf, de straal en de corona van een zwart gat op een nieuwe manier te onderzoeken.”
Dit onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door NASA.
lees het gehele artikel bij de bron
Samenvatting: Astronomen ontdekten acht nieuwe echo’s van zwart gat dubbelsterren in ons melkwegstelsel, waardoor ze een algemeen beeld konden vormen van hoe een zwart gat evolueert tijdens een uitbarsting. De bevindingen zullen wetenschappers helpen de evolutie van een zwart gat te volgen terwijl het zich voedt met stellair materiaal.
Datum van publicatie: 3 mei 2022
Bron: Technologie | Top technologienieuws — ScienceDaily