Astronomer fångar häpnadsväckande nya detaljer i det första svarta hålet

Som sak virvlar våldsamt ner mot händelsehorisonten för ett svart hål, bildar den en ackretionsskiva, värmer plasma till miljontals grader och spränger röntgenstrålar ut i rymden. Men exakt hur ser ackretionsskivan i ett svart hål ut? En macka?

Kanske. Imaging X-ray Polarimetry Explorer, som lanserades i december förra året som ett samarbete mellan NASA och den italienska rymdorganisationen, upptäcker polariseringen av röntgenstrålar, vilket låter astronomer förstå hur de reflekteras från ackretionsskivan när de skapas.

Resultaten av dess första observation av ett masstillväxt svart hål, publicerade förra veckan i Vetenskaphar börjat tappa modellerna som har dykt upp sedan senast någon observerade polariseringen av dessa extrema röntgenstrålar för mer än 40 år sedan.

VAD ÄR NYTT – 1971 blev Cygnus X-1 det första svarta hålet som observerades från jorden. Medan svarta hål länge hade förutspåtts teoretiskt, blev Cygnus X-1 den första som identifierades positivt. Inom fyra år lanserade NASA den första – och fram till IXPE, också den sista – satelliten för att försöka mäta polariseringen av dess röntgenstrålar, det åttonde orbiting solobservatoriet, eller OSO-8.

Under de nästan 50 åren sedan OSO-8 flög, har astrofysiker förlitat sig på mätningarna som gjordes i mitten av sjuttiotalet som en baslinje för att förstå hur röntgenstrålar kommer från svarta hål. Men, pratar med Omvänd, huvudförfattare Henric Krawczynski från Washington University i St. Louis noterar “det finns en hel del ny teknik som gör det möjligt för dessa nya mätningar att nu få lika signifikanta resultat på en hundradel av tiden.”

Under de senaste två decennierna har en ny teknik känd som gaselektronmultiplikatorer möjliggjort mycket mer exakta och snabba observationer. Jämfört med OSO-8 är IXPE hundratals gånger mer känslig och exakt när det gäller att detektera polariseringen av röntgenstrålar.

En bild från 2001 av Cygnus X-1 tagen under en flygning.NASA/Getty Images Nyheter/Getty Images

Tillåter dem att modellera formen på ackretionsskivan runt det svarta hålet. När materia på skivan rusar närmare och närmare händelsehorisonten betyder den ökade tätheten av laddade partiklar att de avleder varandra, bromsar och omvandlar en del av sin otroliga kinetiska energi till strålning – en känsla av att det lyckligtvis finns ett sammansatt tyskt ord astrofysiker använder för att beskriva: bremsstrahlung (“bromsstrålning”).

Som plasma genomgår bremsstrahlung Under de sista 2000 kilometerna ovanför händelsehorisonten sprider röntgenstrålarna som den sänder ut annat material nära det svarta hålet och bär information om regionens form över 7300 ljusår till jorden. Ändå, noterar Krawczynski, “du måste upptäcka en galen mängd fotoner” för att få den typ av noggrannhet som IXPE har.

I det här fallet indikerar polariseringen av röntgenstrålar IXPE som plockats upp från Cygnus X-1 två saker om formen på plasman som spiralerar in i det svarta hålet.

För det första bekräftar det tidigare observationer att svarta hål spottar ut två plasmastrålar vinkelrätt mot ansamlingsskivan. För det andra överensstämmer observationerna med en modell som kallas en “het corona sandwich” – där plasma fungerar som brödet över och under ett lager av materia – eller en där materia lägger sig i ett smalt lager av plasma.

“Många studier om rum-tid för svarta hål är baserade på att mäta avböjningen av denna heta och kalla gas,” förklarar Krawczyniski. På grund av detta är det viktigt att kartlägga topologin för skivan som omger ett svart hål för att förstå hur den avleder både ljus och röntgenstrålar.

I detta skede handlar IXPE:s resultat om att förfina sätten som andra astronomer och astrofysiker använder svarta hål som verktyg. Krawczyniski säger, “Just nu är det ungefär som att ta reda på hur verktyget du använder för att studera rumtid faktiskt ser ut.” Observationer från IXPE under de kommande åren kommer att förfina svarta hål som ett observationsverktyg.

Artistens återgivning av Cygnus X-1 och dess följeslagare.John Paice

Men Krawczyniski hoppas också att satelliten inom en snar framtid kommer att kunna observera formen av rumtiden själv vid Cygnus X-1. Cygnus X-1 skiftar oförutsägbart mellan “hårt” och “mjukt” tillstånd – “hårt” vilket betyder att röntgenstrålarna har hög energi, “mjuka” betyder att de tenderar att ha lägre. Cygnus skiftar mellan tillstånd när skivan närmar sig händelsehorisonten och plasman skjuts ut; just nu är det i det svåra tillståndet.

“Om några månader,” säger Krawczyniski, “förhoppningsvis kommer de att gå in i det mjuka stadiet och vi kommer bara att se röntgenstrålarna från ackretionsskivan … och då kan du begränsa själva rymdtiden.”

VAD KOMMER HÄRNÄST – IXPE är planerat för ett två till fem år långt uppdrag, men det betyder bara att det kommer att ta cirka 50 olika observationer av objekt på natthimlen. För “du får bra signaler efter en vecka för de ljusaste, så när du väl kommer till de svagare måste du leta mycket längre”, förklarar Krawczyniski, “du måste se hur många föremål du kan fånga.”

Detta kommer att innebära att man försöker balansera att observera nya objekt med att återvända till tidigare observerade för djupare observation, för att se hur de förändras över tiden och bättre begränsa deras egenskaper. Krawczyniski förklarar att teamet redan har samarbetat för att plocka upp olika aspekter av samma svarta hål – “vi har dessa flervågskampanjer med fem satelliter, tre optiska teleskop och alla som tittar på samma objekt.”

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *