W ubiegłym roku astronomowie odkryli spokojną czarną dziurę w odległej galaktyce, która wybuchła po strzępieniu i pochłonięciu przechodzącej gwiazdy. Teraz naukowcy zidentyfikowali charakterystyczny sygnał rentgenowski obserwowany w dniach następujących po wybuchu, który pochodzi z materii na skraju wpadnięcia do czarnej dziury.
Ten sygnał ostrzegawczy, zwany quasi-okresową oscylacją lub QPO, jest charakterystyczną cechą dysków akrecyjnych, które często otaczają najbardziej zwarte obiekty we wszechświecie - gwiazdy białego karła, gwiazdy neutronowe i czarne dziury. QPO obserwowano w wielu czarnych dziurach o masie gwiezdnej, i istnieją kuszące dowody w kilku czarnych dziurach, które mogą mieć masy średnie od 100 do 100 000 razy większe niż Słońce.
Do czasu nowego odkrycia QPO wykryto jedynie wokół jednej supermasywnej czarnej dziury - typu zawierającego miliony mas Słońca i zlokalizowanego w centrach galaktyk. Obiektem tym jest galaktyka typu Seyferta REJ 1034 + 396, która w odległości 576 milionów lat świetlnych leży stosunkowo blisko.
„To odkrycie rozszerza nasz zasięg do najbardziej wewnętrznej krawędzi czarnej dziury oddalonej o miliardy lat świetlnych, co jest naprawdę niesamowite. Daje nam to możliwość zbadania natury czarnych dziur i przetestowania teorii względności Einsteina w czasach, gdy wszechświat był zupełnie inny niż obecnie ”- powiedział Rubens Reis, doktor habilitowany Einstein na University of Michigan w Ann Arbor. Reis kierował zespołem, który odkrył sygnał QPO za pomocą danych z orbitujących teleskopów rentgenowskich Suzaku i XMM-Newton, co zostało opisane w artykule opublikowanym dzisiaj w Science Express.
Źródło promieniowania X znane jako Swift J1644 + 57 - po jego astronomicznych współrzędnych w konstelacji Draco - zostało odkryte 28 marca 2011 r. Przez satelitę Swift NASA. Początkowo zakładano, że jest to bardziej powszechny typ wybuchu zwany rozbłyskiem gamma, ale jego stopniowe zanikanie nie pasowało do niczego, co widzieliśmy wcześniej. Astronomowie wkrótce przekonali się, że to, co zobaczyli, było następstwem naprawdę niezwykłego wydarzenia - przebudzenia uśpionej czarnej dziury odległej galaktyki, która strzaskała i pochłaniała przemijającą gwiazdę. Galaktyka jest tak daleko, że światło z tego wydarzenia musiało przebyć 3,9 miliarda lat, zanim dotrze na Ziemię.
Informacje o filmie: 28 marca 2011 r. NASA Swift wykryła intensywne rozbłyski rentgenowskie, które prawdopodobnie były spowodowane przez czarną dziurę pożerającą gwiazdę. W jednym z przedstawionych tutaj modeli podobna do Słońca gwiazda na mimośrodowej orbicie pogrąża się zbyt blisko centralnej czarnej dziury swojej galaktyki. Około połowa masy gwiazdy zasila dysk akrecyjny wokół czarnej dziury, który z kolei napędza strumień cząstek, który emituje promieniowanie w kierunku Ziemi. Źródło: NASA Goddard Space Flight Center / Conceptual Image Lab
Gwiazda doświadczyła intensywnych przypływów, gdy dotarła do najbliższego punktu czarnej dziury i została szybko rozerwana. Część gazu spadła w kierunku czarnej dziury i utworzyła wokół niej dysk. Najbardziej wewnętrzna część tego dysku została szybko podgrzana do temperatury milionów stopni, wystarczająco gorącej, aby emitować promienie rentgenowskie. Jednocześnie poprzez procesy wciąż nie w pełni zrozumiałe, skierowane przeciwnie strumienie prostopadłe do dysku uformowane w pobliżu czarnej dziury. Strumienie te wysadzały materię na zewnątrz z prędkościami przekraczającymi 90 procent prędkości światła wzdłuż osi obrotu czarnej dziury. Jeden z tych samolotów właśnie skierował prosto na Ziemię.
Dziewięć dni po wybuchu Reis, Strohmayer i ich koledzy zaobserwowali Swift J1644 + 57 za pomocą Suzaku, satelity rentgenowskiego obsługiwanego przez Japan Aerospace Exploration Agency z udziałem NASA. Około dziesięć dni później rozpoczęli dłuższą kampanię monitorującą, korzystając z obserwatorium XMM-Newton Europejskiej Agencji Kosmicznej.
„Ponieważ materia w odrzutowcu poruszała się tak szybko i była skierowana prawie w naszą linię wzroku, efekty względności zwiększyły jej sygnał rentgenowski na tyle, że moglibyśmy złapać QPO, który w innym przypadku byłby trudny do wykrycia na tak dużej odległości ”- powiedział Tod Strohmayer, astrofizyk i współautor badania w NASA Goddard Space Flight Center w Greenbelt, MD.
Gorący gaz w najbardziej wewnętrznych spiralach dysku w kierunku czarnej dziury dochodzi do punktu, który astronomowie nazywają najbardziej wewnętrzną stabilną orbitą kołową (ISCO). Im bliżej czarnej dziury, a gaz gwałtownie zanurza się w horyzoncie zdarzeń, w miejscu bez powrotu. Wewnętrzny spiralny gaz gromadzi się wokół ISCO, gdzie ulega ogromnemu nagrzaniu i promieniuje promieniami rentgenowskimi. Jasność tych promieni rentgenowskich zmienia się według wzoru, który powtarza się w prawie regularnych odstępach, tworząc sygnał QPO.
Dane pokazują, że QPO Swift J1644 + 57 jeździł cyklicznie co 3,5 minuty, co powoduje, że region źródłowy znajduje się w odległości od 2,2 do 5,8 miliona mil (4 do 9,3 miliona km) od centrum czarnej dziury, dokładna odległość zależy od tego, jak szybko czarna dziura obraca się. Mówiąc z perspektywy czasu, maksymalna odległość wynosi jedynie około 6-krotność średnicy naszego Słońca. Odległość od regionu QPO do horyzontu zdarzeń zależy również od prędkości obrotowej, ale dla czarnej dziury wirującej z maksymalną teorią prędkości horyzont jest tuż wewnątrz ISCO.
„QPO przesyłają nam informacje z samego brzegu czarnej dziury, gdzie właśnie efekty względności stają się najbardziej ekstremalne”, powiedział Reis. „Zdolność do uzyskania wglądu w te procesy na tak dużym dystansie jest naprawdę pięknym rezultatem i daje wielką obietnicę”.
Podpis pod zdjęciem: Ta ilustracja podkreśla główne cechy Swift J1644 + 57 i podsumowuje to, co odkryli o nim astronomowie. Źródło: NASA Goddard Space Flight Center
