Twee nieuwe onderzoekspapers stellen ons in staat om dicht bij de waarnemingshorizon te komen en gebeurtenissen in het gebied van de dichtstbijzijnde stabiele banen bij het zwarte gat in beeld te brengen. De auteurs van beide onderzoeken kijken naar de periodieke emissies die optreden wanneer zwarte materie nieuwe materie begint te absorberen.
Zwarte gaten absorberen zelf al het licht buiten hun waarnemingshorizon, en de ruimte buiten die waarnemingshorizon zendt dit licht meestal in grote hoeveelheden uit. Dit komt door het feit dat materie die in een zwart gat valt, een enorme energielading heeft. Het verliest koppel en crasht in andere materie in een baan rond het zwarte gat. Hoewel we dus niet rechtstreeks een beeld van het zwarte gat kunnen krijgen, kunnen we enkele conclusies trekken over de eigenschappen ervan met behulp van het licht uit de omgeving dat het creëert.
Deze week zijn twee onderzoeksrapporten gepubliceerd die ons in staat stellen dichter bij de ruimte te komen dicht bij de waarnemingshorizon en om beelden te vormen van gebeurtenissen in het gebied waar de stabiele banen zich het dichtst bij het zwarte gat bevinden. De auteurs van een van deze artikelen kwamen tot de volgende conclusie: een superzwaar zwart gat draait zo snel dat een punt op zijn oppervlak beweegt met een snelheid die gelijk is aan ongeveer de helft van de lichtsnelheid.
Gloed echo
De auteurs van beide onderzoeken kijken naar de periodieke emissies die optreden wanneer zwarte materie nieuwe materie begint te absorberen. Deze substantie wordt in het gat geleid via een platte structuur met in het midden een zwart gat. Deze structuur wordt een accretieschijf genoemd. Als er nieuwe materie verschijnt, warmt de schijf op, waardoor het zwarte gat helderder wordt. Hierdoor treden er veranderingen op in de omringende ruimte. De auteurs van beide onderzoeken zoeken een antwoord op de vraag wat deze veranderingen ons kunnen vertellen over het zwarte gat en de ruimte in de omgeving.
In een van deze artikelen is de aandacht van wetenschappers gericht op een zwart gat met een stellaire massa, die 10 keer de massa van de zon is. Als reactie op het binnendringen van materie, creëerde een van deze sterren een tijdelijke gebeurtenis genaamd MAXI J1820 + 070. Het dankt zijn naam aan het MAXI-instrument op het ISS, dat is ontworpen om astronomische waarnemingen in het röntgenbereik uit te voeren. Na de ontdekking van deze gebeurtenis was het mogelijk om nieuwe waarnemingen uit te voeren met behulp van de ISS-apparatuur genaamd NICER, die de interne samenstelling van neutronensterren onderzoekt. Deze apparatuur kan zeer snelle metingen uitvoeren van röntgenstralen die worden uitgezonden door astronomische bronnen, waardoor u kortetermijnveranderingen in een object effectief kunt volgen.
In dit geval werd het NICER-instrument gebruikt om de "lichtecho" te analyseren. Het punt is dat zwarte gaten naast de accretieschijf een corona hebben, een bel van energetisch geladen materie die zich boven en onder het vlak van de schijf bevindt. Deze corona zendt zelf röntgenstralen uit die met instrumenten kunnen worden gedetecteerd. Maar deze röntgenfoto's raken ook de accretieschijf en sommige worden in onze richting gereflecteerd. Zo'n lichte echo kan ons wat details vertellen over de accretieschijf.
Promotie video:
Het mysterie oplossen
In dit geval hielp de lichtecho bij het oplossen van de puzzel. Opnamen gemaakt van superdense zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels geven aan dat de accretieschijf zich heeft uitgebreid langs de dichtstbijzijnde stabiele baan naar het zwarte gat. Uit metingen van zwarte gaten met stellaire massa blijkt echter dat de randen van de aanwasschijf veel verder weg zijn. Aangezien het onwaarschijnlijk is dat fysieke eigenschappen veranderen met de grootte, hebben deze metingen wetenschappers enigszins verbaasd.
Een nieuwe analyse laat zien dat er zowel variabele als constante eigenschappen zijn in MAXI J1820 + 070 röntgenstralen. Constante eigenschappen geven aan dat de accretieschijf die de echo creëert, zijn locatie helemaal niet verandert. En de variabele eigenschappen geven aan dat wanneer een zwart gat materie verslindt, de corona compacter wordt, en daarom wordt de röntgenbron verplaatst. De details van het constante signaal geven aan dat de accretieschijf veel dichter bij het zwarte gat staat. Dankzij dit komen de nieuwe metingen volledig overeen met wat we weten over superdense versies van zwarte gaten.
Dood van een ster
In het superdense gebied bevindt zich het ASASSN-14li-object, ontdekt tijdens de automatische verkenning van supernovae. Dit object had eigenschappen die vaak worden aangetroffen in een gebeurtenis die getijdenverstoring wordt genoemd. Tijdens zo'n gebeurtenis scheurt het zwarte gat door de zwaartekracht een ster uit elkaar die er te dicht bij staat. Uit latere waarnemingen bleek echter dat dit signaal een nogal vreemde structuur heeft. Elke 130 seconden gaf het een korte tijd een burst.
Dit signaal was niet erg verschillend van de achtergrond waartegen de ster werd vernietigd, maar het werd gedetecteerd door drie verschillende instrumenten, wat aangeeft dat er periodiek iets gebeurt. De eenvoudigste verklaring is dat een deel van de ster in een baan rond het zwarte gat viel. De frequentie van dergelijke banen hangt af van de massa en rotatiesnelheid van het zwarte gat, evenals van de afstand tussen het zwarte gat en het object dat eromheen draait. Op andere manieren is de rotatie van een zwart gat moeilijk te meten, en daarom reproduceren wetenschappers simulaties vele malen, waarbij ze verschillende configuraties van het zwart gat-systeem testen.
De massa van een zwart gat wordt bepaald op basis van de grootte van het sterrenstelsel waarin het zich bevindt. Er is een eenvoudige relatie tussen de rotatiesnelheid en de orbitale afstand: hoe dichter zoiets bij het zwarte gat is, hoe langzamer het zwarte gat roteert, zodat het object met dezelfde snelheid in een baan om de aarde beweegt. Door de dichtst mogelijke baan te berekenen, konden wetenschappers dus de minimumwaarde van de rotatiesnelheid bepalen.
Uit de uitgevoerde berekeningen blijkt dat het zwarte gat in ieder geval met een zodanige snelheid ronddraait dat een punt op zijn oppervlak met de helft van de lichtsnelheid beweegt. (Om je een vollediger beeld te geven, moet worden gezegd dat superdense zwarte gaten zo groot kunnen zijn dat ze dezelfde straal hebben als de baan van Saturnus of Neptunus.) Als materie een beetje verder van het centrum verwijderd is, kan het zwarte gat dat ook doen versnelt zijn rotatie.
We kunnen nog niet rechtstreeks beelden van zwarte gaten krijgen, maar studies hebben aangetoond dat daarin talloze gebeurtenissen plaatsvinden, wat ons veel gegevens kan opleveren over hun gedrag in het heelal. En dit stelt ons in staat om bepaalde conclusies te trekken over de eigenschappen van de zwarte gaten zelf, maar ook over de materie die in de vleugels wacht om erin te komen. We beginnen ook informatie te krijgen van waarnemingen van zwaartekrachtgolven die ons een idee geven van de massa en rotatie van botsende zwarte gaten. Bij elkaar genomen verwijderen deze gegevens een aureool van onduidelijkheid uit zwarte gaten, en ze zijn niet langer onbekend terrein voor ons.
John Timmer
