Insight-HXMT, China's eerste astronomische ruimte-röntgensatelliet, heeft een laagfrequente quasi-periodieke oscillatie (QPO) boven 200 kilo-elektron volt (keV) ontdekt in een binair zwart gat, waardoor het de hoogste energetische laagfrequente QPO is die ooit is gevonden. De wetenschappers ontdekten ook dat de QPO afkomstig was van de precessie van een relativistische straal (hoge snelheid naar buiten bewegende plasmastroom) nabij de waarnemingshorizon van het zwarte gat. Deze ontdekkingen hebben belangrijke implicaties voor het oplossen van het langlopende debat over de fysieke oorsprong van laagfrequente QPO's.

Dit werk, online gepubliceerd in Natuurastronomie op 21 september werd voornamelijk uitgevoerd door wetenschappers van het Institute of High Energy Physics (IHEP) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS), de Universiteit van Southampton (Verenigd Koninkrijk), Eberhard Karls Universiteit van Tübingen (Duitsland), en het Shanghai Astronomical Observatory van CAS.

Laagfrequente QPO's, ontdekt in de jaren 80, zijn een veel voorkomende waarnemingstimingfunctie in transiënte binaire bestanden van zwarte gaten. Ze zijn quasi-periodiek, maar niet precies periodiek, modulaties in lichtcurven. Al meer dan 30 jaar, de oorsprong van laagfrequente QPO's werd niet begrepen. De twee meest populaire modellen die hun oorsprong verklaren zijn:1) de oscillaties worden veroorzaakt door de instabiliteit van de accretieschijf wanneer materie ronddraait en uiteindelijk in het zwarte gat valt; en 2) de quasi-periodieke röntgenstralingsmodulaties worden geproduceerd door de oscillatie of precessie van het coronale röntgenstraling-emitterende gebied dicht bij het zwarte gat.

Vóór het tijdperk van Insight-HXMT, Röntgensatellieten konden alleen laagfrequente QPO's onder 30 keV detecteren en bestuderen; dus, het was moeilijk om deze modellen te testen. Insight-HXMT, in tegenstelling tot, heeft een breed effectief energiebereik van 1-250 keV en heeft het grootste effectieve gebied boven 30 keV. Daarom, nadat Insight-HXMT werd gelanceerd, wetenschappers verwachtten dat het rijke laagfrequente QPO's boven 30 keV zou detecteren, en zo eerdere modellen volledig te kunnen testen.

Het nieuwe zwarte gat X-ray binaire MAXI J1820+070, bestaande uit een zwart gat van meerdere zonsmassa's en een begeleidende ster, begon een uitbarsting te ondergaan op 11 maart, 2018. Het is lange tijd een van de helderste röntgenbronnen aan de hemel geweest. Insight-HXMT reageerde snel en voerde gedurende enkele maanden hoge cadanswaarnemingen uit op deze bron, het verzamelen van een enorme hoeveelheid waarnemingsgegevens.

Op basis van deze gegevens, de wetenschappers ontdekten dat de laagfrequente QPO van MAXI J1820+070 verscheen in een breed energiebereik en dat de maximale detectie-energie 200 keV overschreed, die bijna een orde van grootte hoger is dan eerdere QPO's die door andere telescopen zijn waargenomen, wat aangeeft dat de QPO niet uit het thermische stralingsgebied van de accretieschijf kon komen. Verdere studies hebben aangetoond dat de frequentie en variabiliteitsamplitude van de QPO energie-onafhankelijk zijn en dat de QPO met hoge energie voorafgaat aan de QPO met lage energie.

Deze resultaten waren ondubbelzinnig in strijd met de meeste momenteel bestaande modellen. Daarom, de wetenschappers stelden voor dat de laagfrequente QPO werd geproduceerd door de precessie van een straal nabij de waarnemingshorizon van het zwarte gat; de precessie werd waarschijnlijk veroorzaakt door het frame-slepende effect van de algemene relativiteitstheorie, gegenereerd door de rotatie van het zwarte gat.

Jets zijn snelle materiestromen die bijna de lichtsnelheid benaderen. Er zijn veel jets waargenomen in dubbelsterren van zwarte gaten en verre quasars die superzware zwarte gaten herbergen (d.w.z. die van miljoenen tot tientallen miljarden zonnemassa's) in de radio, optische en röntgenbanden. Jets zijn een belangrijk observatiekenmerk van zwarte gatensystemen, en zijn het belangrijkste middel waarmee zwarte gaten de omgeving beïnvloeden via feedback bij het inslikken van nabije materie.

Echter, deze jets zijn verre van zwarte gaten. Ze bevinden zich meestal op een afstand van meer dan een miljoen keer de waarnemingshorizon van het zwarte gat. Op zo'n grote afstand de zwaartekracht van het zwarte gat heeft eigenlijk geen effect. Daarom, het is onduidelijk waar deze jets worden gegenereerd, hoe ver ze van de zwarte gaten zijn, hoe ze kunnen ontsnappen uit het sterke zwaartekrachtveld van de zwarte gaten en hoe ze worden versneld tot een snelheid die dicht bij de lichtsnelheid ligt.

De ontdekking van Insight-HXMT is vooral belangrijk omdat het de eerste keer is dat een jet is gevonden op slechts honderden kilometers afstand van een zwart gat (d.w.z. meerdere malen de waarnemingshorizon van het zwarte gat). Zoals de dichtstbijzijnde relativistische jet tot nu toe in een zwart gat is waargenomen, de bevinding is van groot belang voor het bestuderen van de relativistische effecten, dynamische processen en stralingsmechanismen.