ESA's röntgenruimtetelescoop XMM-Newton heeft nooit eerder geziene periodieke uitbarstingen van röntgenstraling gedetecteerd die afkomstig zijn van een ver sterrenstelsel en die enigmatische gedragingen van actieve zwarte gaten zouden kunnen helpen verklaren.

XMM-Newton, het krachtigste röntgenobservatorium, ontdekte enkele mysterieuze flitsen van het actieve zwarte gat in de kern van de melkweg GSN 069, ongeveer 250 miljoen lichtjaar verwijderd. Op 24 december 2018, de bron werd gezien om zijn helderheid plotseling tot een factor 100 te verhogen, vervolgens binnen een uur terug gedimd naar zijn normale niveaus en negen uur later weer opgelicht.

"Het was totaal onverwacht, " zegt Giovanni Miniutti, van het Centro de Astrobiología in Madrid, Spanje, hoofdauteur van een nieuw artikel gepubliceerd in het tijdschrift Natuur vandaag.

"Reuzenzwarte gaten flikkeren regelmatig als een kaars, maar de snelle, herhalende veranderingen die vanaf december in GSN 069 te zien zijn, zijn iets geheel nieuws."

Verdere waarnemingen, uitgevoerd met XMM-Newton en NASA's Chandra X-ray observatorium in de volgende paar maanden, bevestigde dat het verre zwarte gat nog steeds het tempo aanhield, om de negen uur bijna periodieke uitbarstingen van röntgenstralen uit te zenden. De onderzoekers noemen het nieuwe fenomeen 'quasi-periodieke uitbarstingen, " of QPE's.

"De röntgenstraling is afkomstig van materiaal dat wordt opgehoopt in het zwarte gat en daarbij opwarmt, " legt Giovanni uit.

"Er zijn verschillende mechanismen in de accretieschijf die aanleiding kunnen geven tot dit soort quasi-periodieke signalen, mogelijk gekoppeld aan instabiliteiten in de accretiestroom dicht bij het centrale zwarte gat.

"Alternatief, de uitbarstingen kunnen te wijten zijn aan de interactie van het schijfmateriaal met een tweede lichaam - een ander zwart gat of misschien het overblijfsel van een ster die eerder door het zwarte gat is verstoord."

Hoewel nooit eerder waargenomen, Giovanni en collega's denken dat periodieke uitbarstingen zoals deze eigenlijk heel gewoon kunnen zijn in het heelal.

Het is mogelijk dat het fenomeen nog niet eerder was geïdentificeerd, omdat de meeste zwarte gaten in de kernen van verre sterrenstelsels, met massa's van miljoenen tot miljarden keren de massa van onze zon, zijn veel groter dan die in GSN 069, die slechts ongeveer 400.000 keer massiever is dan onze zon.

Hoe groter en massiever het zwarte gat, hoe langzamer de schommelingen in helderheid die het kan weergeven, dus een typisch superzwaar zwart gat zou niet elke negen uur uitbarsten, maar om de paar maanden of jaren. Dit zou detectie onwaarschijnlijk maken, aangezien waarnemingen zelden zo'n lange tijdsperiode beslaan.

En er is meer. Quasi-periodieke uitbarstingen zoals die gevonden in GSN 069 zouden een natuurlijk kader kunnen bieden om enkele raadselachtige patronen te interpreteren die zijn waargenomen in een aanzienlijk deel van actieve zwarte gaten, waarvan de helderheid te snel lijkt te variëren om gemakkelijk te kunnen worden verklaard door de huidige theoretische modellen.

"We kennen veel massieve zwarte gaten waarvan de helderheid binnen dagen of maanden met zeer grote factoren toeneemt of afneemt, terwijl we zouden verwachten dat ze in een veel langzamer tempo zouden variëren, ' zegt Giovanni.

"Maar als een deel van deze variabiliteit overeenkomt met de opkomst- of vervalfasen van uitbarstingen vergelijkbaar met die ontdekt in GSN 069, dan de snelle variabiliteit van deze systemen, die momenteel onhaalbaar lijkt, kon natuurlijk worden verantwoord. Nieuwe gegevens en verdere studies zullen uitwijzen of deze analogie echt opgaat."

De quasi-periodieke uitbarstingen die in GSN 069 zijn waargenomen, kunnen ook een andere intrigerende eigenschap verklaren die is waargenomen in de röntgenstraling van bijna alle heldere, aangroeiende superzware zwarte gaten:de zogenaamde 'zachte overmaat'.

Het bestaat uit verbeterde emissie bij lage röntgenstralingsenergieën, en er is nog steeds geen consensus over de oorzaak, with one leading theory invoking a cloud of electrons heated up near the accretion disc.

Like similar black holes, GSN 069 exhibits such a soft X-ray excess during bursts, but not between eruptions.

"We may be witnessing the formation of the soft excess in real time, which could shed light on its physical origin, " says co-author Richard Saxton from the XMM-Newton operation team at ESA's astronomy centre in Spain.

"How the cloud of electrons is created is currently unclear, but we are trying to identify the mechanism by studying the changes in the X-ray spectrum of GSN 069 during the eruptions."

The team is already trying to pinpoint the defining properties of GSN 069 at the time when the periodic eruptions were first detected to look for more cases to study.

"One of our immediate goals is to search for X-ray quasi-periodic eruptions in other galaxies, to further understand the physical origin of this new phenomenon, " adds co-author Margherita Giustini of Madrid's Centro de Astrobiología.

"GSN 069 is an extremely fascinating source, with the potential to become a reference in the field of black hole accretion, " says Norbert Schartel, ESA's XMM-Newton project scientist.

The discovery would not have been possible without XMM-Newton's capabilities.

"These bursts happen in the low energy part of the X-ray band, where XMM-Newton is unbeatable. We will certainly need to use the observatory again if we want to find more of these kinds of events in the future, " concludes Norbert.

"Nine-hour X-ray quasi-periodic eruptions from a low-mass black hole galactic nucleus, " by G. Miniutti et al., is published in Natuur .