Ostatnie obserwacje czarnej dziury o masie gwiazdowej zwanej Cygnus X-1 ujawniają nowe szczegóły dotyczące konfiguracji ekstremalnie gorącej materii w regionie bezpośrednio otaczającym czarną dziurę.
Materia jest podgrzewana do milionów stopni, gdy jest przyciągana do czarnej dziury. Ta gorąca materia świeci w promieniach rentgenowskich. Naukowcy wykorzystują pomiary polaryzacji tych promieni rentgenowskich do testowania i udoskonalania modeli opisujących, w jaki sposób czarne dziury połykają materię, stając się jednymi z najjaśniejszych źródeł światła – w tym promieni rentgenowskich – we wszechświecie.
Nowe pomiary z Cygnus X-1, opublikowane online przez czasopismo Science w czwartek, 3 listopada, reprezentują pierwsze obserwacje akreującej masy czarnej dziury z misji Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE), międzynarodowej współpracy między NASA i Włoska Agencja Kosmiczna (ASI). Cygnus X-1 jest jednym z najjaśniejszych źródeł promieniowania rentgenowskiego w naszej galaktyce, składającym się z czarnej dziury o masie 21 mas Słońca na orbicie z towarzyszącą jej gwiazdą o masie 41 mas Słońca.
„Poprzednie obserwacje rentgenowskie czarnych dziur mierzyły jedynie kierunek przybycia, czas przybycia i energię promieni rentgenowskich z gorącej plazmy opadającej spiralnie w kierunku czarnych dziur” – powiedział główny autor Henric Krawczyński, profesor fizyki w sztuce i naukach Wayman Crow. na Washington University w St. Louis i wykładowca w uniwersyteckim McDonnell Center for the Space Sciences. „IXPE mierzy również ich polaryzację liniową, która zawiera informacje o tym, w jaki sposób promienie rentgenowskie były emitowane – oraz czy i gdzie rozpraszają one materię w pobliżu czarnej dziury”.
Żadne światło, nawet promieniowanie rentgenowskie, nie może uciec z horyzontu zdarzeń czarnej dziury. Promienie rentgenowskie wykryte za pomocą IXPE są emitowane przez gorącą materię lub plazmę w obszarze o średnicy 2000 km otaczającym horyzont zdarzeń czarnej dziury o średnicy 60 km.
Połączenie danych IXPE z równoczesnymi obserwacjami z obserwatoriów rentgenowskich NASA NICER i NuSTAR w maju i czerwcu 2022 roku pozwoliło autorom ograniczyć geometrię – tj. kształt i położenie – plazmy.
Naukowcy odkryli, że plazma rozciąga się prostopadle do dwustronnego wypływu plazmy w kształcie ołówka, czyli strumienia, zobrazowanego we wcześniejszych obserwacjach radiowych. Zrównanie kierunku polaryzacji promieniowania rentgenowskiego i dżetu daje silne wsparcie hipotezie, że procesy w jasnym obszarze promieniowania rentgenowskiego w pobliżu czarnej dziury odgrywają kluczową rolę w wystrzeliwaniu dżetu.
Obserwacje są zgodne z modelami przewidującymi, że korona gorącej plazmy albo osadza się na dysku materii skręcającym się w kierunku czarnej dziury, albo zastępuje wewnętrzną część tego dysku. Nowe dane dotyczące polaryzacji wykluczają modele, w których korona czarnej dziury jest wąską kolumną plazmy lub stożkiem wzdłuż osi dżetu.
Naukowcy zauważyli, że lepsze zrozumienie geometrii plazmy wokół czarnej dziury może wiele ujawnić na temat wewnętrznego działania czarnych dziur i sposobu, w jaki akreują one masę.
„Te nowe spostrzeżenia umożliwią ulepszone badania rentgenowskie, w jaki sposób grawitacja zakrzywia przestrzeń i czas w pobliżu czarnych dziur” – powiedział Krawczyński.
W odniesieniu konkretnie do czarnej dziury Cygnus X-1, „Obserwacje IXPE pokazują, że przepływ akrecyjny jest widziany bardziej krawędziowo niż wcześniej sądzono” – wyjaśnił współautor Michal Dovčiak z Instytutu Astronomicznego Czeskiej Akademii Nauk.
„Może to być sygnatura niewspółosiowości płaszczyzny równikowej czarnej dziury i płaszczyzny orbity układu podwójnego” lub sparowany duet czarnej dziury i jej gwiazdy towarzyszącej – wyjaśniła współautorka Alexandra Veledina z Uniwersytetu w Turku. . “System mógł nabyć tę niewspółosiowość, gdy eksplodowała gwiazda prekursora czarnej dziury.”
„Misja IXPE wykorzystuje zwierciadła rentgenowskie wyprodukowane w Marshall Space Flight Center NASA i oprzyrządowanie płaszczyzny ogniskowej dostarczone przez współpracę ASI, National Institute for Astrophysics (INAF) i National Institute for Nuclear Physics” – powiedział współautor Fabio Muleri INAF-IAPS. „Poza Cygnus X-1, IXPE jest wykorzystywany do badania szerokiej gamy ekstremalnych źródeł promieniowania rentgenowskiego, w tym gwiazd neutronowych akreujących masę, pulsarów i mgławic wiatru pulsarowego, pozostałości po supernowych, naszego centrum galaktycznego i aktywnych jąder galaktyk. wiele niespodzianek i świetnie się bawimy”.
Drugi artykuł w tym samym numerze Science był prowadzony przez Roberto Tavernę z Uniwersytetu w Padwie i opisuje detekcję IXPE silnie spolaryzowanych promieni rentgenowskich z magnetara 4U 0142+61.
„Cieszymy się, że możemy być częścią tej nowej fali odkryć naukowych w astrofizyce” – powiedział Krawczyński.