Op 11 maart, een instrument aan boord van het International Space Station detecteerde een enorme explosie van röntgenlicht die zes keer zo helder werd als de Krabnevel, bijna 10, 000 lichtjaar verwijderd van de aarde. Wetenschappers hebben vastgesteld dat de bron een zwart gat was dat was gevangen in het midden van een uitbarsting - een extreme fase waarin een zwart gat schitterende uitbarstingen van röntgenstraling kan spuwen terwijl het een lawine van gas en stof van een nabije ster verslindt.

Nu hebben astronomen van MIT en elders "echo's" gedetecteerd in deze uitbarsting van röntgenstraling, waarvan ze denken dat het een aanwijzing kan zijn voor hoe zwarte gaten evolueren tijdens een uitbarsting. In een onderzoek dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd: Natuur , het team rapporteert bewijs dat, aangezien het zwarte gat enorme hoeveelheden stellair materiaal verbruikt, zijn corona - de halo van hoog-energetische elektronen die een zwart gat omringt - krimpt aanzienlijk, van een aanvankelijke uitgestrektheid van ongeveer 100 kilometer (ongeveer de breedte van Massachusetts) tot slechts 10 kilometer, in iets meer dan een maand.

De bevindingen zijn het eerste bewijs dat de corona krimpt als een zwart gat zich voedt, of aangroei. De resultaten suggereren ook dat het de corona is die de evolutie van een zwart gat aandrijft tijdens de meest extreme fase van zijn uitbarsting.

"Dit is de eerste keer dat we dit soort bewijs hebben gezien dat het de corona is die krimpt tijdens deze specifieke fase van uitbarstingsevolutie, " zegt Jack Steiner, een onderzoekswetenschapper in het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van MIT. "De corona is nog steeds behoorlijk mysterieus, en we hebben nog steeds een vaag begrip van wat het is. Maar we hebben nu bewijs dat het ding dat evolueert in het systeem de structuur van de corona zelf is."

Steiner's MIT co-auteurs zijn onder meer Ronald Remillard en eerste auteur Erin Kara.

Röntgenecho's

Het zwarte gat dat op 11 maart werd ontdekt, heette MAXI J1820+070, voor het instrument dat het heeft gedetecteerd. De Monitor of All-sky X-ray Image (MAXI) -missie is een set röntgendetectoren die is geïnstalleerd in de Japanse experimentmodule van het internationale ruimtestation (ISS), dat de hele lucht controleert op röntgenuitbarstingen en fakkels.

Kort nadat het instrument de uitbarsting van het zwarte gat had opgepikt, Steiner en zijn collega's begonnen het evenement te observeren met NASA's Neutronenster Interior Composition Explorer, of LEUK, een ander instrument aan boord van het ISS, die mede is ontworpen door MIT, om de hoeveelheid en timing van inkomende röntgenfotonen te meten.

"Dit enorm heldere zwarte gat kwam op het toneel, en het was bijna volledig vrij, dus we kregen een zeer ongerept beeld van wat er aan de hand was, ', zegt Steiner.

Een typische uitbarsting kan optreden wanneer een zwart gat enorme hoeveelheden materiaal van een nabije ster wegzuigt. Dit materiaal hoopt zich op rond het zwarte gat, in een wervelende draaikolk die bekend staat als een accretieschijf, die miljoenen kilometers breed kan zijn. Materiaal in de schijf dat zich dichter bij het centrum van het zwarte gat bevindt, draait sneller, wrijving genereren die de schijf opwarmt.

"Het gas in het centrum heeft een temperatuur van miljoenen graden, "zegt Steiner. "Als je zoiets heets verwarmt, het schijnt als röntgenstralen. Deze schijf kan lawines ondergaan en zijn gas naar beneden gieten op het centrale zwarte gat met ongeveer een Mount Everest-waarde van gas per seconde. En dat is wanneer het in uitbarsting komt, die meestal ongeveer een jaar duurt."

Wetenschappers hebben eerder waargenomen dat röntgenfotonen die door de accretieschijf worden uitgezonden, hoogenergetische elektronen in de corona van een zwart gat kunnen afstoten. Steiner zegt dat sommige van deze fotonen "tot in het oneindige, " terwijl andere zich terugverstrooien op de accretieschijf als röntgenstralen met hogere energie.

Door NICER te gebruiken, het team was in staat om uiterst nauwkeurige metingen te verzamelen van zowel de energie als de timing van röntgenfotonen tijdens de uitbarsting van het zwarte gat. Cruciaal, ze pikten "echo's op, " of vertragingen tussen laagenergetische fotonen (die in eerste instantie door de accretieschijf zijn uitgezonden) en hoogenergetische fotonen (de röntgenstralen die waarschijnlijk interactie hadden gehad met de elektronen van de corona). In de loop van een maand, de onderzoekers merkten op dat de lengte van deze vertragingen aanzienlijk afnam, wat aangeeft dat de afstand tussen de corona en de accretieschijf ook kleiner werd. Maar was het de schijf of de corona die naar binnen schoof?

Om dit te beantwoorden, de onderzoekers maten een signatuur die astronomen kennen als de "ijzeren lijn" - een kenmerk dat alleen wordt uitgezonden door de ijzeratomen in een accretieschijf wanneer ze worden geactiveerd, zoals door de reflectie van röntgenfotonen van de elektronen van een corona. Ijzer, daarom, kan de binnengrens van een accretieschijf meten.

Toen de onderzoekers de ijzeren lijn tijdens de uitbarsting maten, ze vonden geen meetbare verandering, wat suggereert dat de schijf zelf niet van vorm verschuift, maar relatief stabiel blijven. Samen met het bewijs van een afnemende röntgenvertraging, ze concludeerden dat het de corona moest zijn die aan het veranderen was, en krimpen als gevolg van de uitbarsting van het zwarte gat.

"We zien dat de corona begint als deze opgeblazen is, 100 kilometer klodder in de binnenste accretieschijf, krimpt dan tot iets van 10 kilometer, ruim een ​​maand, Steiner zegt. "Dit is het eerste ondubbelzinnige geval van een corona die krimpt terwijl de schijf stabiel is."

"NICER heeft ons in staat gesteld om lichtecho's dichter bij een zwart gat met een stellaire massa te meten dan ooit tevoren, Kara voegt eraan toe. "Voorheen werden deze lichtecho's van de binnenste accretieschijf alleen gezien in superzware zwarte gaten, die miljoenen tot miljarden zonsmassa's zijn en over miljoenen jaren evolueren. Stellaire zwarte gaten zoals J1820 hebben een veel lagere massa en evolueren veel sneller, zodat we veranderingen kunnen zien plaatsvinden op menselijke tijdschalen."

Hoewel het onduidelijk is waardoor de corona precies samentrekt, Steiner speculeert dat de wolk van hoogenergetische elektronen wordt samengedrukt door de overweldigende druk die wordt gegenereerd door de invallende gaslawine van de accretieschijf.

De bevindingen bieden nieuwe inzichten in een belangrijke fase van de uitbarsting van een zwart gat, bekend als een overgang van een harde naar een zachte toestand. Wetenschappers weten dat op een bepaald moment in het begin van een uitbarsting, een zwart gat verschuift van een "harde" fase die wordt gedomineerd door de energie van de corona, naar een "zachte" fase die meer wordt geregeerd door de emissies van de accretieschijf.

"Deze overgang markeert een fundamentele verandering in de manier van accretie van een zwart gat, Steiner zegt. "Maar we weten niet precies wat er aan de hand is. Hoe gaat een zwart gat over van gedomineerd door een corona naar zijn schijf? Komt de schijf binnen en neemt het over, of verandert en verdwijnt de corona op de een of andere manier? Dit is iets wat mensen al tientallen jaren proberen te ontrafelen. En nu is dit een definitief stuk werk met betrekking tot wat er gebeurt in deze overgangsfase, en dat wat verandert, is de corona."