NASA's NICER Mission Maps 'Light Echoes' van New Black Hole

[univers]

Wetenschappers hebben de omgeving in kaart gebracht rond een stellair zwart zwart gat dat tien keer de massa van de zon is met behulp van NASA's neutronenster Interior Composition Explorer (NICER) -lading aan boord van het internationale ruimtestation . NICER detecteerde röntgenstraling uit het recent ontdekte zwarte gat, genaamd MAXI J1820 + 070 (kortweg J1820), omdat het materiaal van een begeleidende ster opsloeg. Golven van röntgenstralen vormden "lichte echo's" die weerkaatsten op het wervelende gas bij het zwarte gat en onthulden veranderingen in de grootte en vorm van de omgeving.

"Dankzij NICER kunnen we lichtere echo's meten die dichter bij een stellair zwart gat liggen dan ooit tevoren", zegt Erin Kara, een astrofysicus aan de Universiteit van Maryland , College Park en het Goddard Space Flight Center van NASA in Greenbelt, Maryland, die de bevindingen op de 233e vergadering van de American Astronomical Society in Seattle. "Eerder, deze echo's van de interne accretieschijf werden alleen gezien in superzware zwarte gaten, die miljoenen tot miljarden zonsmassa's zijn en langzaam veranderingen ondergaan. Stellaire zwarte gaten zoals J1820 hebben veel lagere massa's en evolueren veel sneller, zodat we veranderingen op menselijke tijdsschalen kunnen waarnemen. "

Een paper met de bevindingen, geleid door Kara, verscheen in het nummer van 10 januari van Nature en is online beschikbaar .https://www.nature.com/articles/s41586-018-0803-x



J1820 bevindt zich op ongeveer 10.000 lichtjaar afstand van het sterrenbeeld Leeuw. De begeleidende ster in het systeem werd geïdentificeerd in een onderzoek door ESA's (European Space Agency) Gaia-missie, waarmee onderzoekers de afstand konden schatten. Astronomen waren zich niet bewust van de aanwezigheid van het zwarte gat tot 11 maart 2018, toen een uitbarsting werd gespot door de Japan Aerospace Exploration Agency ‘s Monitor van All-sky Röntgenfoto (MAXI) , ook aan boord van het ruimtestation. J1820 ging van een totaal onbekend zwart gat naar een van de helderste bronnen in de röntgenlucht in enkele dagen. NICER bewoog zich snel om deze dramatische overgang vast te leggen en blijft de vervagende staart van de uitbarsting volgen.

"NICER is ontworpen om gevoelig genoeg te zijn voor het bestuderen van zwakke, ongelooflijk dichte objecten die neutronensterren worden genoemd," zei Zaven Arzoumanian, de NICER-wetenschapsleider bij Goddard en co-auteur van de paper. "We zijn blij met hoe nuttig het ook is bewezen in het bestuderen van deze zeer röntgenstraling-heldere stellaire massa zwarte gaten."

Een zwart gat kan gas van een naburige begeleidende ster in een materiaalring, een aanwasschijf genaamd, laten sifoneren. Zwaartekracht en magnetische krachten verwarmen de schijf tot miljoenen graden, waardoor deze warm genoeg is om röntgenstralen aan de binnenkant van de schijf te produceren, in de buurt van het zwarte gat. Uitbarstingen doen zich voor wanneer een instabiliteit in de schijf een gasstroom naar binnen veroorzaakt, naar het zwarte gat, zoals een lawine. De oorzaken van schijfinstabiliteit worden slecht begrepen.

Boven de schijf bevindt zich de corona, een gebied met subatomaire deeltjes van ongeveer 1 miljard graden Celsius (1,8 miljard graden Fahrenheit) dat oplicht in röntgenstraling met hogere energie. Veel mysteries blijven over de oorsprong en evolutie van de corona. Sommige theorieën suggereren dat de structuur een vroege vorm kan zijn van de hogesnelheid-deeltjesjets die dit soort systemen vaak uitzenden.

Astrofysici willen beter begrijpen hoe de binnenrand van de aanhechtingsschijf en de corona erboven in grootte en vorm veranderen wanneer een zwart gat materiaal van zijn metgezel aanneemt. Als ze kunnen begrijpen hoe en waarom deze veranderingen zich gedurende een periode van weken voordoen in sterzwangere zwarte gaten, kunnen wetenschappers licht werpen op hoe superzware zwarte gaten zich over miljoenen jaren ontwikkelen en hoe ze de sterrenstelsels beïnvloeden waarin ze zich bevinden.

Een methode die wordt gebruikt om die veranderingen in kaart te brengen, wordt röntgenweerkaatsingstoewijzing genoemd, waarbij gebruik wordt gemaakt van röntgenreflecties op vrijwel dezelfde manier waarop sonar geluidsgolven gebruikt om onderzees terrein in kaart te brengen. Sommige röntgenfoto's van de corona reizen recht op ons af, terwijl anderen de schijf verlichten en op verschillende energieën en hoeken weerkaatsen.

Röntgenweerkaatsing van supermassieve zwarte gaten heeft aangetoond dat de binnenrand van de aanzuigschijf erg dicht bij de gebeurtenishorizon ligt, het punt van geen terugkeer. De corona is ook compact en ligt dichter bij het zwarte gat dan op een groot deel van de aanwasschijf. Eerdere waarnemingen van röntgen-echo's van stellaire zwarte gaten suggereerden echter dat de binnenrand van de aanzuigschijf vrij ver kon liggen, tot honderden keren de omvang van de gebeurtenishorizon. De stellaire massa J1820 gedroeg zich echter meer als zijn superzware neven.

Terwijl ze NICER's observaties van J1820 onderzochten, zag Kara's team een ​​vertraging in de vertraging of vertragingstijd tussen de eerste flare van röntgenstralen die rechtstreeks uit de corona kwamen en de echo van de flare van de schijf, wat aangeeft dat de röntgenstralen korter zijn gereisd en kortere afstanden voordat ze werden weerspiegeld. Op 10.000 lichtjaar afstand schatten ze dat de corona verticaal opliep van ongeveer 100 tot 10 mijl - dat is alsof je iets van de grootte van een bosbes ziet krimpen tot iets ter grootte van een maanzaad op de afstand van Pluto.

"Dit is de eerste keer dat we dit soort bewijs hebben gezien dat het de corona-krimp is tijdens deze specifieke fase van uitbarstingsevolutie," zei co-auteur Jack Steiner, een astrofysicus aan het Kavli Institute of Astrophysics and Space van het Massachusetts Institute of Technology. Onderzoek in Cambridge. "De corona is nog steeds behoorlijk mysterieus en we weten nog steeds niet goed wat het is. Maar we hebben nu bewijs dat het ding dat in het systeem evolueert de structuur is van de corona zelf. "

Om te bevestigen dat de vertraagde vertraging te wijten was aan een verandering in de corona en niet aan de schijf, gebruikten de onderzoekers een signaal genaamd de ijzeren K-lijn die werd gecreëerd toen röntgenstraling vanuit de corona botste met ijzeren atomen in de schijf, waardoor ze fluoresceren. De tijd loopt langzamer in sterkere zwaartekrachtvelden en bij hogere snelheden, zoals vermeld in de relativiteitstheorie van Einstein. Wanneer de ijzeratomen die zich het dichtst bij het zwarte gat bevinden gebombardeerd worden door licht uit de kern van de corona, worden de röntgenstralengolflengten die ze uitstoten uitgerekt omdat de tijd langzamer beweegt voor hen dan voor de waarnemer (in dit geval NICER).

Kara's team ontdekte dat de uitgerekte ijzeren K-lijn van J1820 constant bleef, wat betekent dat de binnenrand van de schijf dicht bij het zwarte gat bleef - vergelijkbaar met een superzwaar zwart gat. Als de verkorte vertragingstijd werd veroorzaakt doordat de binnenrand van de schijf nog verder naar binnen ging, dan zou de ijzeren K-lijn nog meer uitgerekt zijn.

Deze observaties geven wetenschappers nieuwe inzichten in hoe materiaal trechters naar het zwarte gat en hoe energie wordt vrijgegeven in dit proces.


Het NICER-instrument dat is geïnstalleerd op het internationale ruimtestation ISS, zoals vastgelegd door een high-definition externe camera op 22 oktober 2018.
Credits: NASA

https://www.nasa.gov/feature/goddard/20 ... black-hole