"Прослушването" на рентгеновото ехо от черна дупка, докато се храни със звезден материал, разкрива подробности от околността на тези гравитационни чудовища.
Десетки милиони черни дупки са разпръснати в нашата галактика Млечен път. Тези гравитационни кладенци на пространство-времето са толкова огромни, че падащата материя и дори светлината никога не могат да избягат. Освен в редки случаи, докато се хранят, черните дупки по своята същност са тъмни. Тъй като черна дупка поглъща газ и прах от орбитална звезда, тя може да излъчва зашеметяващи изблици на рентгеново лъчение, които отскачат от спирално засмукания газ, осветявайки за кратко екстремната среда на черната дупка.
Сега астрономи от Масачузетския технологичен институт търсят експлозии и ехо от рентгенови лъчи от близки двойни системи от черна дупка с обикаляща около нея звезда, която понякога е изяждана от черната дупка. Те анализират ехото от такива системи, за да реконструират какво се случва в екстремна близост до черна дупка.
В проучване, публикувано на 2 май 2022 г. в The Astrophysical Journal, изследователите съобщават, че са използвали нов инструмент за автоматизирано търсене, който те наричат „реверберационна машина“ (Reverberation Machine), с който претърсват сателитните данни за признаци на ехо от черна дупка. В своето търсене те откриват осем нови двойни системи черни дупки с ехо в нашата галактика. По-рано бяха известни само две такива системи с рентгеново ехо в Млечния път.
Сравнявайки ехото в различните системи, екипът е събрал обща картина за това как еволюира черна дупка по време на изхвърляне на рентгенови джетове. Във всички системи те наблюдават, че черната дупка първо преминава в „твърдо“ състояние, разбивайки корона от високоенергийни фотони заедно със струя от релативистични частици, която се изстрелва със скорост, близка до светлината. Изследователите откриват, че в определен момент черната дупка излъчва един последен високоенергиен взрив преди да премине в „меко“ нискоенергийно състояние.
Тази последна екплозия може да е знак, че короната на черна дупка, областта на високоенергийна плазма точно извън границата на черната дупка, се разширява за кратко, изхвърляйки последен изблик на високоенергийни частици, преди да изчезне напълно. Тези открития могат да помогнат да се обясни как по-големите, свръхмасивни черни дупки в центъра на галактиката могат да изхвърлят частици в огромни космически мащаби, оформяйки образуването на галактики.
„Ролята на черните дупки в еволюцията на галактиките е изключително важен въпрос в съвременната астрофизика“, коментира Ерин Кара (Erin Kara), асистент по физика в MIT. „Интересно е, че тези двойни черни дупки изглеждат „мини“ супермасивни черни дупки и така, като разберем експлозиите в тези малки близки системи, можем да разберем как подобни изблици в свръхмасивни черни дупки влияят на галактиките, в които се намират."
Рентгеновото ехо
Кара и нейните колеги използват рентгеновото ехо, за да картографират околностите на черна дупка, подобно на начина, по който прилепите използват звуково ехо, за да се ориентират в заобикалящата ги среда. Когато прилеп издаде сигнал, звукът може да се отрази от препятствията и да се върне към прилепа като ехо. Времето, необходимо за завръщането на ехото, зависи от разстоянието между прилепа и препятствието, което дава на животното виртуална карта на заобикалящата го среда.
По подобен начин екипът на MIT се опитва да картографира непосредствената близост до черна дупка с помощта на рентгеново ехо. Ехото представлява времеви закъснения между два вида рентгенова светлина: светлината, излъчвана директно от короната, и светлина от короната, която отскача от акреционния диск на поглъщания газ и прах.
Времето, когато телескопът получава светлина от короната, в сравнение с това, когато получава рентгеново ехо, дава оценка на разстоянието между короната и акреционния диск. Наблюдението как се променят тези времеви закъснения може да разкрие как еволюират короната и дискът на черна дупка , докато черната дупка консумира звезден материал.
Еволюция на ехото
В новото си проучване екипът разработва алгоритъм за търсене за обработка на данните, получени от NICER (NASA Neutron Star Internal Composition Explorer), рентгенов телескоп с висока разделителна способност на борда на Международната космическа станция. Алгоритъмът е избрал 26 рентгенови двойни системи на черни дупки, за които преди е било известно, че излъчват рентгенови лъчи. От тези 26 екипът установява, че 10 системи са достатъчно близки и ярки, за да може да се разпознае рентгеновото ехо.
За осем от 10-те досега не бе известно, че излъчват ехо. Черните дупки са с маса от пет до 15 пъти по-голяма от масата на Слънцето и всички те са в двойни системи с нормални, подобни на Слънцето звезди с ниска маса.
Като страничен проект Кара работи с учени от MIT, за да преобразува излъчването от типично рентгеново ехо в звукови вълни. Чуйте звука от ехо от черна дупка тук:
Кредит: Звукът, изчислен от Кайл Кийн и Ерин Кара, MIT. Анимация Michal Dovciak, ASU CAS.
След това изследователите стартират алгоритъма върху 10-те двоични черни дупки и разделят данните на групи с подобни „спектрални характеристики на времето“, тоест подобни закъснения между високоенергийните рентгенови лъчи и повторно обработеното ехо. Това помага бързо да се проследи промяната в рентгеновото ехо на всеки етап по време на избухването на черната дупка.
Екипът идентифицира еволюция с общи характеристики във всички системи. В първоначалното „твърдо“ състояние, в което корона и струя от високоенергийни частици доминират в енергията на черната дупка, те откриват кратки закъснения от порядъка на милисекунди. Това "твърдо" състояние продължава няколко седмици. След това в продължение на няколко дни настъпва преход, при който короната и струята се разпиляват и затихват, и настъпва "меко" състояние, доминирано от рентгенови лъчи с по-ниска енергия от акреционния диск на черната дупка.
По време на това преходно състояние от "твърдо" към "меко" екипът открива, че закъснението е станало малко по-дълго във всичките 10 системи, което означава, че разстоянието между короната и диска също е нараснало. Едно от обясненията е, че короната може за кратко да се разшири навън и нагоре, в последен високоенергиен взрив, преди черната дупка да завърши поглъщането на по-голямата част от звездата и да утихне.
„Ние сме в началото в използването на светлинното ехо за реконструиране на средата, която е най-близо до черната дупка“, разказва Кара. "Сега показахме, че такова ехо се наблюдава често и можем да изследваме връзките между диска на черна дупка, струята и короната по нов начин."
Справка: “The NICER “Reverberation Machine”: A Systematic Study of Time Lags in Black Hole X-Ray Binaries” by Jingyi Wang, Erin Kara, Matteo Lucchini, Adam Ingram, Michiel van der Klis, Guglielmo Mastroserio, Javier A. García, Thomas Dauser, Riley Connors, Andrew C. Fabian, James F. Steiner, Ron A. Remillard, Edward M. Cackett, Phil Uttley and Diego Altamirano, 2 May 2022, The Astrophysical Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac6262
Източник: Hear the Eerie Sounds of a Black Hole Echo – Search Reveals 8 New Sources of Black Hole Echoes, MIT
Още по темата
Космос
„Революционни резултати за Млечния път“ ще обяви екипът, направил първата снимка на черна дупка (видео)
Физика
Какво има вътре в черна дупка? Физик използва квантови изчисления, машинно обучение, за да разбере
Космос
Открита е черна дупка, която създава звезди, вместо да ги поглъща (видео)
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари