Spolaryzowane promienie X ukazują kształt i orientację niezwykle gorącej materii wokół czarnej dziury
Ostatnie obserwacje czarnej dziury o masie gwiazdowej https://pl.wikipedia.org/wiki/Gwiazdowa_czarna_dziura Cygnus X-1 ukazują nowe szczegóły dotyczące geometrii niezwykle gorącej materii w regionie bezpośrednio otaczającym czarną dziurę.
Wizja artystyczna układu Cygnus X-1, z czarną dziurą w centrum i towarzyszącą jej gwiazdą. Źródło: John Paice.
Materia jest podgrzewana do milionów stopni, gdy jest ciągnięta w kierunku czarnej dziury. Ta gorąca materia świeci w promieniach X. Naukowcy wykorzystują pomiary polaryzacji tego promieniowania do testowania i udoskonalania modeli opisujących, w jaki sposób czarne dziury połykają materię, stając się jednymi z najjaśniejszych źródeł światła – w tym promieniowania X – we Wszechświecie.
Nowe pomiary Cygnus X-1, opublikowane 3 listopada 2022 roku w czasopiśmie Science, są pierwszymi obserwacjami czarnej dziury akreującej masę, dokonanymi przez misję Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE). Cygnus X-1 jest jednym z najjaśniejszych źródeł promieniowania X w naszej Galaktyce, składającym się z czarnej dziury o masie 21 mas Słońca i gwiazdy towarzyszącej o masie 41 mas Słońca.
Poprzednie obserwacje rentgenowskie czarnych dziur mierzyły jedynie kierunek przybycia, czas przybycia i energię promieni X z gorącej plazmy opadającej spiralnie w kierunku czarnych dziur – powiedział główny autor Henric Krawczynski, profesor fizyki w Arts & Sciences na Uniwersytecie Waszyngtona w St. Louis i wykładowca uniwersytecki w McDonnell Center for the Space Sciences. IXPE mierzy również ich polaryzację liniową, która zawiera informacje o tym, w jaki sposób promienie X były emitowane – oraz czy i gdzie rozpraszają one materię w pobliżu czarnej dziury.
Żadne światło, nawet to pochodzące z promieniowania X, nie może wydostać się z wnętrza horyzontu zdarzeń czarnej dziury. Promienie X wykryte przez IXPE są emitowane przez gorącą materię, czyli plazmę, w regionie o średnicy 2000 km otaczającym horyzont zdarzeń czarnej dziury o średnicy 60 km.
Połączenie danych IXPE z równoczesnymi obserwacjami z obserwatoriów rentgenowskich NICER i NuSTAR w maju i czerwcu 2022 roku pozwoliło autorom na ograniczenie geometrii – czyli kształtu i położenia – plazmy.
Naukowcy odkryli, że plazma rozciąga się prostopadle do dwustronnego wypływu plazmy, czyli strumienia, obrazowanego we wcześniejszych obserwacjach radiowych. Zgodność kierunku polaryzacji promieniowania X i strumieni silnie wspiera hipotezę, że procesy zachodzące w jasnym regionie rentgenowskim w pobliżu czarnej dziury odgrywają kluczową rolę w wystrzeliwaniu strumienia.
Obserwacje zgadzają się z modelami przewidującymi, że korona gorącej plazmy albo przykrywa dysk materii zmierzającej po spirali w kierunku czarnej dziury, albo zastępuje wewnętrzną część tego dysku. Nowe dane polaryzacyjne wykluczają modele, w których korona czarnej dziury jest wąską kolumną plazmy lub stożkiem wzdłuż osi strumienia.
Naukowcy zauważyli, że lepsze zrozumienie geometrii plazmy wokół czarnej dziury może ujawnić wiele na temat wewnętrznego działania czarnych dziur i tego, jak akreują one masę.
Te nowe odkrycia umożliwią ulepszone badania rentgenowskie tego, jak grawitacja zakrzywia przestrzeń i czas w pobliżu czarnych dziur – powiedział Krawczynski.
W odniesieniu do czarnej dziury Cygnus X-1, obserwacje IXPE ujawniają, że przepływ akrecji jest widzialny bardziej brzegowo niż wcześniej sądzono, wyjaśnił Michal Dovčiak z Instytutu Astronomicznego Czeskiej Akademii Nauk.
Może to być oznaka niewspółosiowości płaszczyzny równikowej czarnej dziury i płaszczyzny orbity układu podwójnego, czyli sparowanego duetu czarnej dziury i gwiazdy towarzyszącej – wyjaśniła współautorka Alexandra Veledina z Uniwersytetu w Turku. Układ mógł nabyć tę niewspółosiowość, gdy eksplodowała gwiazda prekursor czarnej dziury.
Poza Cygnus X-1, IXPE jest wykorzystywany do badania szerokiego zakresu ekstremalnych źródeł promieniowania X, w tym masowo akreujących gwiazd neutronowych, pulsarów i plerionów, pozostałości po supernowych, naszego centrum galaktycznego i galaktyk aktywnych. Znaleźliśmy wiele niespodzianek i świetnie się bawimy – mówi współautor Fabio Muleri z INAF-IAPS.
Druga praca w tym samym numerze Science została poprowadzona przez Roberto Taverna z Uniwersytetu w Padwie i opisuje detekcję przez IXPE silnie spolaryzowanego promieniowania X z magnetara 4U 0142+61.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
