I fjor oppdaget astronomer et rolig svart hull i en fjern galakse som brøt ut etter makulering og fortæring av en forbipasserende stjerne. Nå har forskere identifisert et særegent røntgensignal observert i dagene etter utbruddet som kommer fra materie på randen av å falle ned i det sorte hullet.
Dette fortellingssignalet, kalt en kvasi-periodisk svingning eller QPO, er et karakteristisk trekk ved akkresjonsskivene som ofte omgir de mest kompakte objektene i universet - hvite dvergstjerner, nøytronstjerner og sorte hull. QPO-er er blitt sett i mange sorte hull i stjernemassen, og det er spennende bevis for dem i noen få sorte hull som kan ha mellomvektmasser mellom 100 og 100 000 ganger solens.
Fram til det nye funnet, var QPO-er blitt oppdaget rundt bare ett supermassivt svart hull - typen som inneholder millioner av solmasser og som ligger i sentrum av galakser. Dette objektet er Seyfert-galaksen REJ 1034 + 396, som i en avstand på 576 millioner lysår ligger relativt i nærheten.
“Denne oppdagelsen utvider vår rekkevidde til den innerste kanten av et svart hull som ligger milliarder av lysår unna, noe som er virkelig fantastisk. Dette gir oss en mulighet til å utforske naturen til sorte hull og teste Einsteins relativitet i en tid da universet var veldig annerledes enn det er i dag, ”sa Rubens Reis, en Einstein postdoktorist ved University of Michigan i Ann Arbor. Reis ledet teamet som avdekket QPO-signalet ved hjelp av data fra de kretsende Suzaku- og XMM-Newton-røntgen-teleskopene, et funn beskrevet i en artikkel publisert i dag i Science Express.
Røntgenkilden kjent som Swift J1644 + 57 - etter dens astronomiske koordinater i stjernebildet Draco - ble oppdaget 28. mars 2011 av NASAs Swift-satellitt. Det ble opprinnelig antatt å være en mer vanlig type utbrudd som ble kalt en gammastråle-burst, men dens gradvise fade-out samsvarte med ingenting som hadde blitt sett før. Astronomer konvergerte snart ideen om at det de så var kjølvannet av en virkelig ekstraordinær hendelse - oppvåkningen av en fjern galakas sovende sorte hull da den strimlet og surret opp en forbipasserende stjerne. Galaksen er så langt borte at lys fra hendelsen måtte reise 3,9 milliarder år før den nådde jorden.
Videoinfo: Den 28. mars 2011 oppdaget NASAs Swift intense røntgenråber som antas å være forårsaket av et svart hull som slukte en stjerne. I en modell, illustrert her, stuper en sollignende stjerne på en eksentrisk bane for nær galaksens sentrale sorte hull. Omtrent halvparten av stjernens masse mater en aksjonsskive rundt det sorte hullet, som igjen driver en partikkelstråle som stråler stråling mot Jorden. Kreditt: NASAs Goddard Space Flight Center / Conceptual Image Lab
Stjernen opplevde intense tidevann da den nådde sitt nærmeste punkt til det sorte hullet og ble raskt revet fra hverandre. Noe av gassen hans falt mot det sorte hullet og dannet en skive rundt det. Den innerste delen av denne disken ble raskt oppvarmet til temperaturer på millioner av grader, varme nok til å avgi røntgenstråler. På samme tid, gjennom prosesser som fremdeles ikke er fullstendig forstått, rettet motsatt rettede stråler vinkelrett på disken dannet nær det sorte hullet. Disse jetflyene sprengte saken utover med hastigheter større enn 90 prosent lysets hastighet langs det sorte hullets spinakse. En av disse jetflyene skjedde rett og slett rett mot Jorden.
Ni dager etter utbruddet observerte Reis, Strohmayer og deres kolleger Swift J1644 + 57 ved bruk av Suzaku, en røntgen-satellitt som ble drevet av Japan Aerospace Exploration Agency med deltakelse fra NASA. Omtrent ti dager senere startet de en lengre overvåkningskampanje ved bruk av Det europeiske romfartsorganets XMM-Newton-observatorium.
"Fordi materien i jetflyet beveget seg så raskt og var vinklet nesten inn i vår siktlinje, økte relativitetens virkninger røntgensignalet nok til at vi kunne fange QPO, som ellers ville være vanskelig å oppdage på så stor avstand , ”Sa Tod Strohmayer, en astrofysiker og medforfatter av studien ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Md.
Når varm gass i den innerste disken spiraler mot et svart hull, når den et punkt astronomer refererer til som den innerste stabile sirkulære bane (ISCO). Alt nærmere det sorte hullet og gassen stuper raskt inn i hendelseshorisonten, poenget med ingen retur. Den indre spiralgassen har en tendens til å hoper seg opp rundt ISCO, der den blir enormt oppvarmet og utstråler en flom av røntgenstråler. Lysstyrken til disse røntgenbildene varierer i et mønster som gjentas med nesten regelmessig intervall, og skaper QPO-signalet.
Dataene viser at Swift J1644 + 57s QPO syklet hvert 3,5 minutt, som plasserer kildesegionen mellom 4 og 9,3 millioner kilometer fra sentrum av det sorte hullet, den nøyaktige avstanden avhengig av hvor raskt det sorte hullet er roterer. For å sette dette i perspektiv er den maksimale avstanden bare omtrent 6 ganger diameteren til solen vår. Avstanden fra QPO-regionen til hendelseshorisonten avhenger også av rotasjonshastigheten, men for et svart hull som spinner med den maksimale hastighetsteorien tillater, er horisonten rett innenfor ISCO.
"QPOs sender oss informasjon fra randen av det sorte hullet, og det er her relativitetens virkninger blir mest ekstreme," sa Reis. "Evnen til å få innsikt i disse prosessene over så stor avstand er et virkelig vakkert resultat og gir store løfter."
Bly bildetekst: Denne illustrasjonen belyser de viktigste funksjonene i Swift J1644 + 57 og oppsummerer hva astronomer har oppdaget om det. Kreditt: NASAs Goddard Space Flight Center
