NASAMisja IXPE dostarczyła nowego wglądu w korony czarnych dziur, ujawniając ich kształt i pogłębiając naszą wiedzę na temat ich struktury.
Dane te, pochodzące z obserwacji zarówno czarnych dziur o masach gwiazdowych, jak i supermasywnych, wskazują na podobieństwo geometrii dysków akrecyjnych niezależnie od czarna dziurarozmiar.
Nowe odkrycia dokonane przez należącą do NASA misję IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) dostarczyły bezprecedensowego wglądu w kształt i naturę korony czarnej dziury. Korona to obszar gorący i zmienny osocze otaczającą czarną dziurę, do której materia wpływa do środka. Do tej pory naukowcy mieli jedynie teoretyczne wyobrażenia na temat wyglądu tej struktury. Te nowe odkrycia po raz pierwszy ujawniają kształt korony, dostarczając wskazówek na temat tego, w jaki sposób pomaga ona zasilać i utrzymywać czarne dziury.
Czarne dziury, znane z ogromnej grawitacji, która uniemożliwia ucieczkę nawet światłu, są często otoczone dyskami akrecyjnymi – wirującymi dyskami gazu wypełnionymi gruzem. Niektóre czarne dziury wytwarzają również relatywistyczne dżety, potężne strumienie materii wyrzucane w przestrzeń kosmiczną z niewiarygodną prędkością, gdy czarna dziura aktywnie pobiera materię ze swojego otoczenia.
Rola dysków i dżetów akrecyjnych
Wiele czarnych dziur, nazwanych tak dlatego, że nawet światło nie jest w stanie uciec przed ich gigantyczną grawitacją, jest otoczonych dyskami akrecyjnymi, czyli zaśmieconymi gruzami wirami gazu. Niektóre czarne dziury mają również dżety relatywistyczne – ultrapotężne wybuchy materii wyrzucane w przestrzeń z dużą prędkością przez czarne dziury, które aktywnie zjadają materię w swoim otoczeniu.
Być może mniej znane jest to, że pochłaniające czarne dziury, podobnie jak ziemskie Słońce i inne gwiazdy, również posiadają przegrzaną koronę. Podczas gdy korona Słońca, będąca najbardziej zewnętrzną atmosferą gwiazdy, płonie w temperaturze około 1,8 miliona stopni Fahrenheitaszacuje się, że temperatura korony czarnej dziury wynosi miliardy stopni.
Astrofizycy wcześniej zidentyfikowali korony wśród czarnych dziur o masach gwiazdowych – powstałych w wyniku zapadnięcia się gwiazdy – i supermasywnych czarnych dziur, takich jak ta w sercu Droga Mleczna galaktyka.
„Naukowcy od dawna spekulowali na temat budowy i geometrii korony” – powiedziała Lynnie Saade, badaczka ze stopniem doktora w Centrum Lotów Kosmicznych Marshalla w Huntsville w Alabamie i główna autorka nowych odkryć. „Czy jest to kula nad i pod czarną dziurą, czy atmosfera wytworzona przez dysk akrecyjny, czy może plazma znajdująca się u podstawy dżetów?”
Metody obserwacji struktur czarnych dziur
Wejdź na IXPE, która specjalizuje się w Polaryzacja promieni rentgenowskichcecha światła, która pomaga odwzorowywać kształt i strukturę nawet najpotężniejszych źródeł energii, oświetlając ich wewnętrzne działanie, nawet gdy obiekty są zbyt małe, jasne lub odległe, aby można je było zobaczyć bezpośrednio. Tak jak możemy bezpiecznie obserwować koronę słoneczną podczas całkowitego zaćmienia Słońca, tak IXPE zapewnia środki do dokładnego badania geometrii akrecyjnej czarnej dziury, czyli kształtu i struktury jej dysku akrecyjnego oraz powiązanych struktur, w tym korony.
„Polaryzacja promieniowania rentgenowskiego zapewnia nowy sposób badania geometrii akrecji czarnej dziury” – powiedział Saade. „Jeśli geometria akrecyjna czarnych dziur jest podobna niezależnie od masy, spodziewamy się, że to samo będzie dotyczyć ich właściwości polaryzacyjnych.”
Poszerzanie naszego zrozumienia geometrii czarnej dziury
IXPE wykazało, że spośród wszystkich czarnych dziur, których właściwości koronalne można było bezpośrednio zmierzyć poprzez polaryzację, korona okazała się rozciągać w tym samym kierunku co dysk akrecyjny – dostarczając po raz pierwszy wskazówek co do kształtu korony i jasnych dowodów jego związku z dyskiem akrecyjnym. Wyniki wykluczają możliwość, że korona ma kształt latarni unoszącej się nad dyskiem.
Zespół badawczy przeanalizował dane z obserwacji IXPE 12 czarnych dziur, w tym Cygnus X-1 i Cygnus X-3, układów podwójnych czarnych dziur o masach gwiazdowych odpowiednio około 7 000 i 37 000 lat świetlnych od Ziemi oraz LMC X-1 i LMC X-3, czarne dziury o masie gwiazdowej w Wielkim Obłoku Magellana oddalone o ponad 165 000 lat świetlnych. IXPE zaobserwowało także wiele supermasywnych czarnych dziur, w tym tę w centrum galaktyki Cyrk galaktyki oddalonej o 13 milionów lat świetlnych od Ziemi oraz te w galaktykach NGC 1068 i NGC 4151, oddalone odpowiednio o 47 milionów lat świetlnych i prawie 62 miliony lat świetlnych stąd.
Implikacje dla badań nad czarnymi dziurami
Czarne dziury o masie gwiazdowej mają zazwyczaj masę około 10 do 30 mas Słońca, podczas gdy supermasywne czarne dziury mogą mieć masę od milionów do dziesiątków miliardów razy większą. Pomimo tych ogromnych różnic w skali, dane IXPE sugerują, że oba typy czarnych dziur tworzą dyski akrecyjne o podobnej geometrii.
To zaskakujące, powiedział astrofizyk z Marshalla Philip Kaaret, główny badacz misji IXPE, ponieważ sposób żywienia obu typów obiektów jest zupełnie inny.
„Czarne dziury o masach gwiazdowych wyrywają masę swoim towarzyszom, podczas gdy supermasywne czarne dziury pożerają wszystko wokół siebie” – powiedział. „Jednak mechanizm akrecji działa w podobny sposób”.
To ekscytująca perspektywa, powiedział Saade, ponieważ sugeruje, że badania czarnych dziur o masach gwiazdowych – zazwyczaj znacznie bliżej Ziemi niż ich znacznie masywniejszych kuzynów – mogą pomóc rzucić nowe światło również na właściwości supermasywnych czarnych dziur.
Przyszłe kierunki badań nad czarnymi dziurami
Następnie zespół ma nadzieję przeprowadzić dodatkowe badania obu typów.
Saade przewiduje, że z badań rentgenowskich tych kolosów można wyciągnąć znacznie więcej. „IXPE zapewniła astronomii rentgenowskiej pierwszą od długiego czasu okazję do ujawnienia podstawowych procesów akrecji i odblokowania nowych odkryć na temat czarnych dziur” – powiedziała.
Pełne ustalenia można znaleźć w najnowszym numerze „ The Dziennik astrofizyczny.
Odniesienie: „A Comparison of the X-Ray Polarimetric Properties of Stellar and Supermassive Black Holes” M. Lynne Saade, Philip Kaaret, Ioannis Liodakis i Steven R. Ehlert, 8 października 2024 r., Dziennik astrofizyczny.
DOI: 10.3847/1538-4357/ad73a3
Więcej o IXPE
Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) to wspólna misja NASA i Włoskiej Agencji Kosmicznej, której celem jest dostarczanie bezprecedensowych danych na temat obiektów niebieskich w całym wszechświecie. Od chwili wystrzelenia IXPE jest kluczowym narzędziem pozwalającym pogłębić naszą wiedzę na temat zjawisk kosmicznych, takich jak czarne dziury i gwiazdy neutronowe, poprzez pomiar polaryzacji promieniowania rentgenowskiego. Misją kieruje Centrum Lotów Kosmicznych Marshalla należące do NASA, a operacjami statków kosmicznych zarządza Ball Aerospace i Laboratorium Fizyki Atmosfery i Kosmosu Uniwersytetu Kolorado. Naukowcy z 12 krajów wnoszą wkład w IXPE, co czyni go globalną współpracą w zakresie najnowocześniejszej eksploracji kosmosu.
