Förra året upptäckte astronomer ett lugnt svart hål i en avlägsen galax som utbröt efter strimling och konsumerar en förbipasserande stjärna. Nu har forskare identifierat en distinkt röntgenstrålesignal som observerades under dagarna efter utbrottet som kommer från materia på gränsen till att falla i det svarta hålet.
Denna berättelsessignal, kallad en kvasperiodisk oscillation eller QPO, är en karakteristisk egenskap hos ackretionsskivorna som ofta omger de mest kompakta föremålen i universum - vita dvärgstjärnor, neutronstjärnor och svarta hål. QPO har setts i många svarta hål i stjärnmassa, och det finns främmande bevis för dem i några svarta hål som kan ha medelviktmassor mellan 100 och 100 000 gånger solens.
Fram till den nya upptäckten hade QPO upptäckts runt bara ett supermassivt svart hål - den typ som innehöll miljoner solmassor och som ligger vid galaxens centrum. Detta objekt är Seyfert-galaxen REJ 1034 + 396, som på ett avstånd av 576 miljoner ljusår ligger relativt i närheten.
”Denna upptäckt utvidgar vår räckvidd till den innersta kanten av ett svart hål som ligger miljarder ljusår bort, vilket är verkligen fantastiskt. Detta ger oss en möjlighet att utforska beskaffenheten av svarta hål och testa Einsteins relativitet vid en tidpunkt då universum var mycket annorlunda än det är idag, ”sa Rubens Reis, en Einstein postdoktor vid University of Michigan i Ann Arbor. Reis ledde teamet som avslöjade QPO-signalen med hjälp av data från de kretsande Suzaku- och XMM-Newton-röntgenteleskopen, ett fynd som beskrivs i ett papper som publicerades idag i Science Express.
Röntgenkällan känd som Swift J1644 + 57 - efter dess astronomiska koordinater i konstellationen Draco - upptäcktes den 28 mars 2011 av NASA: s Swift-satellit. Ursprungligen antogs det vara en vanligare typ av utbrott som kallas en gammastrålningsbristning, men dess gradvisa fade-out matchade ingenting som hade setts tidigare. Astronomer konvergerade snart tanken på att det de såg var efterdyningarna av en verkligt extraordinär händelse - väckelsen av en avlägsen galaxens vilande svarta hål när det strimlade och sopade upp en förbipasserande stjärna. Galaxen är så långt borta att ljuset från händelsen måste resa 3,9 miljarder år innan den nådde jorden.
Videoinfo: Den 28 mars 2011 upptäckte NASA: s Swift intensiva röntgenstrålar som tros orsakas av ett svart hål som förtär en stjärna. I en modell, illustrerad här, störtar en solliknande stjärna på en excentrisk bana för nära galaxens centrala svarta hål. Ungefär hälften av stjärnmassan matar en ackretionsskiva runt det svarta hålet, som i sin tur driver en partikelstråle som strålar strålning mot jorden. Kredit: NASA: s Goddard Space Flight Center / Conceptual Image Lab
Stjärnan upplevde intensiva tidvatten när den nådde sin närmaste punkt till det svarta hålet och sletes snabbt isär. En del av dess gas föll mot det svarta hålet och bildade en skiva runt det. Den innersta delen av denna disk uppvärmdes snabbt till temperaturer på miljoner grader, tillräckligt varma för att avge röntgenstrålar. Samtidigt, genom processer som fortfarande inte är helt uppfattade, riktade motsatt riktade strålar vinkelrätt mot skivan som bildas nära det svarta hålet. Dessa strålar sprängde materia utåt med hastigheter större än 90 procent ljusets hastighet längs det svarta hålets rotationsaxel. En av dessa jets pekade precis rakt mot jorden.
Nio dagar efter utbrottet observerade Reis, Strohmayer och deras kollegor Swift J1644 + 57 med hjälp av Suzaku, en röntgen satellit som drivs av Japans byrå för utforskning av rymden och med NASA-deltagande. Cirka tio dagar senare inledde de sedan en längre övervakningskampanj med hjälp av Europeiska rymdbyråns XMM-Newton-observatorium.
”Eftersom materien i jetflygningen rörde sig så snabbt och var vinklad nästan in i vår siktlinje, förstärkte effekterna av relativitet röntgensignalen nog så att vi kunde fånga QPO, som annars skulle vara svårt att upptäcka på så stort avstånd , ”Sa Tod Strohmayer, en astrofysiker och medförfattare till studien vid NASA: s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Md.
Eftersom het gas i den innersta skivan spiralerar mot ett svart hål når den en punkt som astronomer kallar den innersta stabila cirkulära banan (ISCO). När som helst närmare det svarta hålet och gasen faller snabbt in i händelseshorisonten, är ingen återkomst. Den inåt spiralformade gasen tenderar att staplas upp runt ISCO, där den blir oerhört upphettad och utstrålar en översvämning av röntgenstrålar. Ljusstyrkan för dessa röntgenstrålar varierar i ett mönster som upprepas med nästan regelbundet intervall, vilket skapar QPO-signalen.
Uppgifterna visar att Swift J1644 + 57: s QPO cyklade var 3,5: e minut, vilket placerar dess källregion mellan 2,2 och 5,8 miljoner miles (4 till 9,3 miljoner km) från mitten av det svarta hålet, det exakta avståndet beroende på hur snabbt svarta hålet roterar. För att sätta detta i perspektiv är det maximala avståndet bara cirka 6 gånger diametern på vår sol. Avståndet från QPO-regionen till händelseshorisonten beror också på rotationshastigheten, men för ett svart hål som snurrar med den maximala hastighetsteorin tillåter är horisonten precis inuti ISCO.
"QPO: er skickar information från brädet i det svarta hålet, som är där effekterna av relativitet blir mest extrema," sa Reis. "Förmågan att få inblick i dessa processer över ett så stort avstånd är ett verkligt vackert resultat och har stora löften."
Huvudbildtexter: Denna illustration belyser de viktigaste funktionerna i Swift J1644 + 57 och sammanfattar vad astronomer har upptäckt om det. Kredit: NASA: s Goddard Space Flight Center
