Dysk akrecyjny to kolosalny wir gazu i pyłu, który gromadzi się wokół czarnej dziury lub gwiazdy neutronowej jak wata cukrowa, gdy przyciąga materię z pobliskiej gwiazdy. Gdy dysk się obraca, wytwarza potężne wiatry, które popychają i ciągną rozciągającą się, obracającą się plazmę. Te masywne wypływy mogą wpływać na otoczenie czarnych dziur, ogrzewając i wydmuchując otaczający je gaz i pył.
W ogromnych skalach „wiatry dyskowe” mogą dostarczyć wskazówek, w jaki sposób supermasywne czarne dziury kształtują całe galaktyki. Astronomowie zaobserwowali oznaki wiatrów dyskowych w wielu systemach, w tym akreujące czarne dziury i gwiazdy neutronowe. Ale do tej pory widzieli tylko bardzo wąski pogląd na to zjawisko.
Teraz astronomowie z MIT zaobserwowali szerszy zakres wiatrów w Herkulesie X-1, układzie, w którym gwiazda neutronowa odciąga materię od gwiazdy podobnej do Słońca. Dysk akrecyjny tej gwiazdy neutronowej jest wyjątkowy, ponieważ chwieje się lub „precesuje” podczas obracania się. Wykorzystując to kołysanie, astronomowie po raz pierwszy uchwycili różne perspektywy obracającego się dysku i stworzyli dwuwymiarową mapę jego wiatrów.
Nowa mapa ujawnia pionowy kształt i strukturę wiatru, a także jego prędkość – około setek kilometrów na sekundę lub około miliona mil na godzinę, co jest na łagodniejszym końcu tego, co dyski akrecyjne mogą wirować.
Jeśli astronomowie będą w stanie wykryć więcej chwiejnych systemów w przyszłości, technika mapowania zespołu może pomóc określić, w jaki sposób wiatry dyskowe wpływają na powstawanie i ewolucję układów gwiezdnych, a nawet całych galaktyk.
„W przyszłości moglibyśmy mapować wiatry dyskowe w wielu obiektach i określać, jak zmieniają się właściwości wiatru, na przykład wraz z masą czarnej dziury lub ilością akrecji materii” – mówi Peter Kosec, doktor habilitowany w Kavli Instytut Astrofizyki i Badań Kosmicznych MIT. „Pomoże to ustalić, w jaki sposób czarne dziury i gwiazdy neutronowe wpływają na nasz wszechświat”.
Kosec jest głównym autorem badania, które ukazało się w Nature Astronomy. Jego współautorami z MIT są Erin Kara, Daniele Rogantini i Claude Canizares, a także współpracownicy z wielu instytucji, w tym Instytutu Astronomii w Cambridge w Wielkiej Brytanii
Stały celownik
Wiatry dyskowe najczęściej obserwowano w rentgenowskich układach podwójnych – układach, w których czarna dziura lub gwiazda neutronowa wyciągają materię z mniej gęstego obiektu i generują gorący do białości dysk inspirującej materii wraz z wypływającym wiatrem. Nie jest jasne, w jaki sposób wiatry są uruchamiane z tych systemów. Niektóre teorie sugerują, że pola magnetyczne mogą zniszczyć dysk i wyrzucić część materiału na zewnątrz w postaci wiatru. Inni twierdzą, że promieniowanie gwiazdy neutronowej może nagrzewać i odparowywać powierzchnię dysku w gorących do białości podmuchach.
Wskazówki dotyczące pochodzenia wiatru można wywnioskować z jego struktury, ale trudno było określić kształt i zasięg wiatrów dyskowych. Większość układów podwójnych wytwarza dyski akrecyjne, które mają stosunkowo równy kształt, jak cienkie pączki gazu, które obracają się w jednej płaszczyźnie. Astronomowie, którzy badają te dyski z odległych satelitów lub teleskopów, mogą obserwować efekty wiatrów dyskowych jedynie w ustalonym i wąskim zakresie względem obracającego się dysku. Każdy wiatr, który astronomom udaje się wykryć, jest zatem małym odłamkiem większej struktury.
„Możemy badać właściwości wiatru tylko w jednym punkcie i jesteśmy całkowicie ślepi na wszystko wokół tego punktu” – zauważa Kosec.
W 2020 roku on i jego współpracownicy zdali sobie sprawę, że jeden system podwójny może zaoferować szerszy obraz wiatrów dyskowych. Herkules X-1 wyróżnia się spośród większości znanych rentgenowskich układów podwójnych ze względu na wypaczony dysk akrecyjny, który chwieje się, gdy obraca się wokół centralnej gwiazdy neutronowej układu.
„Dysk naprawdę chwieje się w czasie co 35 dni, a wiatry powstają gdzieś w dysku i przecinają naszą linię wzroku na różnych wysokościach nad dyskiem w czasie” – wyjaśnia Kosec. „To bardzo wyjątkowa właściwość tego systemu, która pozwala nam lepiej zrozumieć jego pionowe właściwości wiatrowe”.
Przeklęty wrzask
W nowym badaniu naukowcy obserwowali Herkulesa X-1 za pomocą dwóch teleskopów rentgenowskich – XMM Newton Europejskiej Agencji Kosmicznej i Obserwatorium Chandra należącego do NASA.
„To, co mierzymy, to widmo rentgenowskie, co oznacza ilość fotonów rentgenowskich docierających do naszych detektorów w porównaniu z ich energią. Mierzymy linie absorpcyjne lub brak światła rentgenowskiego przy bardzo określonych energiach” mówi Kosek. „Na podstawie stosunku siły różnych linii możemy określić temperaturę, prędkość i ilość plazmy w wietrze dysku”.
Dzięki wypaczonemu dyskowi Herkulesa X-1 astronomowie byli w stanie zobaczyć linię dysku poruszającą się w górę i w dół, gdy chwiał się i obracał, podobnie do sposobu, w jaki wypaczona płyta wydaje się oscylować, patrząc od krawędzi. Efekt był taki, że naukowcy mogli zaobserwować oznaki wiatrów dyskowych na zmieniających się wysokościach względem dysku, a nie na pojedynczej, stałej wysokości nad równomiernie obracającym się dyskiem.
Mierząc emisje promieniowania rentgenowskiego i linie absorpcji, gdy dysk kołysał się i obracał w czasie, naukowcy mogli skanować właściwości, takie jak temperatura i gęstość wiatrów na różnych wysokościach względem dysku, i skonstruować dwuwymiarową mapę wiatru struktura pionowa.
„Widzimy, że wiatr wznosi się od dysku pod kątem około 12 stopni względem dysku, gdy rozszerza się on w przestrzeni” – mówi Kosec. „Staje się również zimniej i bardziej zbity oraz słabszy na większych wysokościach nad dyskiem”.
Zespół planuje porównać swoje obserwacje z teoretycznymi symulacjami różnych mechanizmów napędzających wiatr, aby zobaczyć, który z nich najlepiej wyjaśnia pochodzenie wiatru. Dalej mają nadzieję odkryć więcej wypaczonych i chwiejnych systemów oraz sporządzić mapę swoich struktur wiatrów dyskowych. Wtedy naukowcy mogliby mieć szerszy pogląd na wiatry dyskowe i wpływ takich odpływów na ich otoczenie – szczególnie w znacznie większej skali.
„W jaki sposób supermasywne czarne dziury wpływają na kształt i strukturę galaktyk?” pozuje Erin Kara, profesor fizyki na MIT z 1958 roku. „Jedną z wiodących hipotez jest to, że wiatry dyskowe wystrzeliwane z czarnej dziury mogą wpływać na wygląd galaktyk. Teraz możemy uzyskać bardziej szczegółowy obraz tego, jak te wiatry są uruchamiane i jak wyglądają”.
Badania te były częściowo wspierane przez NASA.