Materiaal dat in een zwart gat valt, werpt röntgenstralen de ruimte in - en nu hebben astronomen de echo's van deze straling gebruikt om het dynamische gedrag en de omgeving van een zwart gat zelf in kaart te brengen.

De meeste zwarte gaten zijn te klein aan de hemel om hun directe omgeving te kunnen bepalen. maar we kunnen deze mysterieuze objecten nog steeds verkennen door te kijken hoe materie zich gedraagt ​​als het nadert, en valt in, hen.

Terwijl materiaal naar een zwart gat spiraalt, het wordt verwarmd en zendt röntgenstralen uit die, beurtelings, echoën en weerkaatsen als ze interageren met nabijgelegen gas. Deze gebieden van de ruimte zijn sterk vervormd en vervormd vanwege de extreme aard en verpletterend sterke zwaartekracht van het zwarte gat.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers hebben het XMM-Newton röntgenobservatorium van de European Space Agency gebruikt om deze lichtecho's te volgen en de omgeving van het zwarte gat in de kern van een actief sterrenstelsel in kaart te brengen. Hun resultaten worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuurastronomie .

Genoemd IRAS 13224-3809, het gaststelsel van het zwarte gat is een van de meest variabele röntgenbronnen aan de hemel, in slechts enkele uren zeer grote en snelle schommelingen in helderheid van een factor 50 ondergaan.

"Iedereen weet hoe de echo van hun stem anders klinkt wanneer ze in een klaslokaal spreken dan in een kathedraal - dit komt simpelweg door de geometrie en materialen van de kamers, waardoor geluid zich anders gedraagt ​​en rondkaatst, " zei Dr. William Alston van Cambridge's Institute of Astronomy, hoofdauteur van de nieuwe studie.

"Op een vergelijkbare manier, we kunnen kijken hoe echo's van röntgenstraling zich voortplanten in de buurt van een zwart gat om de geometrie van een gebied en de toestand van een klomp materie in kaart te brengen voordat het in de singulariteit verdwijnt. Het is een beetje zoals kosmische echo-locatie."

Omdat de dynamiek van invallend gas sterk verband houdt met de eigenschappen van het consumerende zwarte gat, Alston en zijn collega's waren ook in staat om de massa en spin van het centrale zwarte gat van de melkweg te bepalen door de eigenschappen van materie te observeren terwijl deze naar binnen spiraliseerde.

Het materiaal vormt een schijf als het in het zwarte gat valt. Boven deze schijf ligt een gebied van hete elektronen - met temperaturen van ongeveer een miljard graden - de corona genoemd. Terwijl de wetenschappers verwachtten de nagalm-echo's te zien die ze gebruikten om de geometrie van de regio in kaart te brengen, ze zagen ook iets onverwachts:de corona zelf veranderde snel van grootte, over een kwestie van dagen.

"Naarmate de omvang van de corona verandert, dat doet het licht ook weer - een beetje alsof het kathedraalplafond op en neer beweegt, veranderen hoe de echo van je stem klinkt, ' zei Alston.

"Door de lichtecho's te volgen, we hebben deze veranderende corona kunnen volgen, en - wat nog spannender is - veel betere waarden krijgen voor de massa en spin van het zwarte gat dan we hadden kunnen bepalen als de corona niet in grootte zou veranderen. We weten dat de massa van het zwarte gat niet kan fluctueren, dus eventuele veranderingen in de echo moeten te wijten zijn aan de gasvormige omgeving."

De studie maakte gebruik van de langste waarneming van een groeiend zwart gat ooit gemaakt met XMM-Newton, verzamelde meer dan 16 ruimtevaartuigbanen in 2011 en 2016 en in totaal 2 miljoen seconden - iets meer dan 23 dagen. Dit, gecombineerd met de sterke en kortetermijnvariabiliteit van het zwarte gat zelf, stelde Alston en medewerkers in staat om de echo's uitgebreid te modelleren over een hele dag tijdschalen.

Het gebied dat in deze studie wordt onderzocht, is niet toegankelijk voor observatoria zoals de Event Horizon Telescope, die erin slaagde de allereerste foto te maken van gas in de onmiddellijke nabijheid van een zwart gat - het gat in het centrum van het nabijgelegen massieve sterrenstelsel M 87. Het resultaat, gebaseerd op waarnemingen die in 2017 zijn uitgevoerd met radiotelescopen over de hele wereld en vorig jaar zijn gepubliceerd, werd een wereldwijde sensatie.

"Het beeld van de Event Horizon Telescope is verkregen met behulp van een methode die bekend staat als interferometrie - een techniek die alleen kan werken op de paar superzware zwarte gaten die het dichtst bij de aarde staan, zoals die in M ​​87 en in ons eigen sterrenstelsel, De melkweg, omdat hun schijnbare grootte aan de hemel groot genoeg is om de methode te laten werken, " zei co-auteur Michael Parker, die een ESA-onderzoeker is bij het European Space Astronomy Centre in de buurt van Madrid.

"Daarentegen, onze aanpak is in staat om de dichtstbijzijnde paar honderd superzware zwarte gaten te onderzoeken die actief materie consumeren - en dit aantal zal aanzienlijk toenemen met de lancering van ESA's Athena-satelliet."

Het karakteriseren van de omgevingen die dicht bij zwarte gaten liggen, is een belangrijk wetenschappelijk doel van ESA's Athena-missie. die gepland staat voor lancering in het begin van de jaren 2030 en de geheimen van het hete en energetische heelal zal onthullen.

Het meten van de massa, spin- en accretiesnelheden van een groot aantal zwarte gaten zijn de sleutel tot het begrijpen van de zwaartekracht in de hele kosmos. Aanvullend, aangezien superzware zwarte gaten sterk verbonden zijn met de eigenschappen van hun gastheerstelsel, deze studies zijn ook de sleutel tot het vergroten van onze kennis over hoe sterrenstelsels zich in de loop van de tijd vormen en evolueren.

"De grote dataset van XMM-Newton was essentieel voor dit resultaat, " zei Norbert Schartel, ESA XMM-Newton Projectwetenschapper. "Het in kaart brengen van nagalm is een techniek die belooft veel te onthullen over zowel zwarte gaten als het bredere heelal in de komende jaren. Ik hoop dat XMM-Newton de komende jaren soortgelijke waarnemingscampagnes zal uitvoeren voor verschillende meer actieve sterrenstelsels, zodat de methode volledig is ingeburgerd wanneer Athena wordt gelanceerd."