Wetenschap
Nieuwe analyse onthult een klein zwart gat dat herhaaldelijk door een grotere zwarte gatenschijf van gas prikt
In het hart van een verafgelegen sterrenstelsel lijkt een superzwaar zwart gat last te hebben gehad van de hik. Astronomen van MIT, Italië, Tsjechië en elders hebben ontdekt dat een voorheen stil zwart gat, dat zich in het centrum van een sterrenstelsel op ongeveer 800 miljoen lichtjaar afstand bevindt, plotseling is uitgebarsten en elke 8,5 dagen gaspluimen afgeeft voordat het zich vestigt. terug naar de normale, rustige staat.
De periodieke haperingen zijn nieuw gedrag dat tot nu toe niet in zwarte gaten is waargenomen. De wetenschappers geloven dat de meest waarschijnlijke verklaring voor de uitbarstingen voortkomt uit een tweede, kleiner zwart gat dat rond het centrale, superzware zwarte gat zweeft en elke 8,5 dagen materiaal uit de gasschijf van het grotere zwarte gat slingert.
De bevindingen van het team, gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances , stellen het conventionele beeld van accretieschijven voor zwarte gaten ter discussie, waarvan wetenschappers hadden aangenomen dat het relatief uniforme gasschijven waren die rond een centraal zwart gat roteren. De nieuwe resultaten suggereren dat de inhoud van accretieschijven mogelijk gevarieerder is en mogelijk ook andere zwarte gaten en zelfs hele sterren bevat.
‘We dachten dat we veel wisten over zwarte gaten, maar dit vertelt ons dat er nog veel meer dingen zijn die ze kunnen doen’, zegt studieauteur Dheeraj ‘DJ’ Pasham, wetenschappelijk onderzoeker aan het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van MIT. "We denken dat er nog veel meer van dit soort systemen zullen zijn, en we hebben alleen meer gegevens nodig om ze te vinden."
Tot de co-auteurs van het MIT behoren postdoc Peter Kosec, afgestudeerde student Megan Masterson, universitair hoofddocent Erin Kara, hoofdonderzoeker Ronald Remillard en voormalig onderzoekswetenschapper Michael Fausnaugh, samen met medewerkers van meerdere instellingen, waaronder de Tor Vergata Universiteit van Rome, de Astronomisch Instituut van de Tsjechische Academie van Wetenschappen en Masaryk Universiteit in Tsjechië.
'Gebruik het of verlies het'
De bevindingen van het team kwamen voort uit een geautomatiseerde detectie door ASAS-SN (de All Sky Automated Survey for SuperNovae), een netwerk van twintig robottelescopen op verschillende locaties op het noordelijk en zuidelijk halfrond. De telescopen onderzoeken automatisch één keer per dag de hele hemel op tekenen van supernova's en andere voorbijgaande verschijnselen.
In december 2020 ontdekte het onderzoek een uitbarsting van licht in een sterrenstelsel op ongeveer 800 miljoen lichtjaar afstand. Dat specifieke deel van de hemel was relatief stil en donker tot de detectie door de telescopen, toen het sterrenstelsel plotseling met een factor 1000 helderder werd.
Pasham, die toevallig de detectie zag gerapporteerd in een gemeenschapswaarschuwing, koos ervoor om zich op de uitbarsting te concentreren met NASA's NICER (de Neutronenster Interior Composition Explorer), een röntgentelescoop aan boord van het Internationale Ruimtestation die voortdurend de hemel in de gaten houdt voor X -straaluitbarstingen die activiteit van neutronensterren, zwarte gaten en andere extreme zwaartekrachtverschijnselen kunnen signaleren. De timing was toevallig, aangezien het einde naderde van Pashams jarenlange periode waarin hij toestemming had om de telescoop te richten of te "triggeren".
"Het was óf gebruiken óf verliezen, en het bleek mijn gelukkigste doorbraak te zijn", zegt hij.
Hij trainde NICER om het verre sterrenstelsel te observeren terwijl het bleef opvlammen. De uitbarsting duurde ongeveer vier maanden voordat deze verdween. Gedurende die tijd voerde NICER metingen uit van de röntgenstraling van het sterrenstelsel op dagelijkse basis met hoge frequentie. Toen Pasham de gegevens nauwkeurig bekeek, merkte hij een merkwaardig patroon op binnen de vier maanden durende uitbarsting:subtiele dipjes, in een zeer smalle band van röntgenfoto's, die elke 8,5 dag opnieuw leken te verschijnen.
Het leek erop dat de energie-uitbarsting van het sterrenstelsel periodiek elke 8,5 dagen afnam. Het signaal is vergelijkbaar met wat astronomen zien wanneer een in een baan om de aarde draaiende planeet voor zijn moederster langs beweegt, waardoor het licht van de ster kortstondig wordt geblokkeerd. Maar geen enkele ster zou een uitbarsting van een heel sterrenstelsel kunnen blokkeren.
"Ik zat me af te vragen wat dit betekent, omdat dit patroon niet past bij wat we weten over deze systemen", herinnert Pasham zich.
Sla erop
Terwijl hij op zoek was naar een verklaring voor de periodieke dips, stuitte Pasham op een recent artikel van theoretisch natuurkundigen uit Tsjechië. De theoretici hadden afzonderlijk uitgewerkt dat het in theorie mogelijk zou zijn dat het centrale superzware zwarte gat van een sterrenstelsel een tweede, veel kleiner zwart gat zou huisvesten. Dat kleinere zwarte gat zou onder een hoek van de accretieschijf van zijn grotere metgezel kunnen draaien.
Zoals de theoretici voorstelden, zou de secundaire schijf periodiek door de schijf van het primaire zwarte gat heen slaan terwijl deze ronddraait. Daarbij zou er een gaspluim vrijkomen, zoals een bij die door een wolk van stuifmeel vliegt. Krachtige magnetische velden, ten noorden en ten zuiden van het zwarte gat, zouden de pluim vervolgens omhoog en uit de schijf kunnen slingeren.
Elke keer dat het kleinere zwarte gat door de schijf heen prikt, werpt het een nieuwe pluim uit, in een regelmatig, periodiek patroon. Als die pluim in de richting van een waarneembare telescoop zou wijzen, zou hij de pluim kunnen waarnemen als een dip in de totale energie van het sterrenstelsel, waardoor het licht van de schijf af en toe kortstondig wordt geblokkeerd.
"Ik was super enthousiast over deze theorie en heb ze meteen een e-mail gestuurd om te zeggen:'Ik denk dat we precies waarnemen wat jouw theorie voorspelde'", zegt Pasham.
Hij en de Tsjechische wetenschappers werkten samen om het idee te testen, met simulaties waarin NICER's observaties van de oorspronkelijke uitbarsting en de regelmatige dips van 8,5 dagen waren verwerkt. Wat ze vonden ondersteunt de theorie:de waargenomen uitbarsting was waarschijnlijk een signaal van een tweede, kleiner zwart gat, dat in een baan rond een centraal superzwaar zwart gat cirkelde en periodiek de schijf ervan doorboorde.
Concreet ontdekte het team dat het sterrenstelsel vóór de detectie in december 2020 relatief stil was. Het team schat dat het centrale superzware zwarte gat van de Melkweg zo'n 50 miljoen zonnen groot is. Vóór de uitbarsting had het zwarte gat mogelijk een zwakke, diffuse accretieschijf die eromheen draaide, terwijl een tweede, kleiner zwart gat, met een massa van 100 tot 10.000 zonsmassa's, in relatieve onduidelijkheid ronddraaide.
De onderzoekers vermoeden dat in december 2020 een derde object – waarschijnlijk een nabije ster – te dicht bij het systeem kwam en in stukken werd gescheurd door de enorme zwaartekracht van het superzware zwarte gat – een gebeurtenis die astronomen kennen als een ‘getijdenverstoring’.
De plotselinge instroom van stellair materiaal verlichtte tijdelijk de accretieschijf van het zwarte gat terwijl het puin van de ster het zwarte gat in dwarrelde. Gedurende vier maanden heeft het zwarte gat zich tegoed gedaan aan het stellaire puin terwijl het tweede zwarte gat in zijn baan bleef draaien. Terwijl hij door de schijf heen schoot, wierp hij een veel grotere pluim uit dan normaal, die toevallig rechtstreeks naar de kijker van NICER uitstak.
Het team voerde talloze simulaties uit om de periodieke dips te testen. De meest waarschijnlijke verklaring, zo concluderen zij, is een nieuw soort David-en-Goliath-systeem:een klein zwart gat met gemiddelde massa dat rond een superzwaar zwart gat raast.
"Dit is een ander beest", zegt Pasham. ‘Het klopt met niets wat we over deze systemen weten. We zien bewijs dat objecten vanuit verschillende hoeken de schijf in en door gaan, wat het traditionele beeld van een eenvoudige gasvormige schijf rond zwarte gaten uitdaagt. We denken dat dit zo is. er bestaat een enorme populatie van deze systemen."
‘Dit is een briljant voorbeeld van hoe je het puin van een verstoorde ster kunt gebruiken om het binnenste van een galactische kern te verlichten, die anders donker zou blijven. Het is vergelijkbaar met het gebruik van fluorescerende kleurstof om een lek in een pijp te vinden’, zegt Richard Saxton. een röntgenastronoom van het European Space Astronomy Center (ESAC) in Madrid, Spanje, die niet betrokken was bij het onderzoek.
"Dit resultaat laat zien dat zeer nabije superzware dubbelsterren van zwarte gaten veel voorkomen in galactische kernen, wat een zeer opwindende ontwikkeling is voor toekomstige zwaartekrachtgolfdetectoren."