Vorig jaar ontdekten astronomen een rustig zwart gat in een ver sterrenstelsel dat uitbarstte na het versnipperen en consumeren van een passerende ster. Nu hebben onderzoekers een onderscheidend röntgensignaal geïdentificeerd dat is waargenomen in de dagen na de uitbarsting die afkomstig is van materie die op het punt staat in het zwarte gat te vallen.
Dit verklikkersignaal, quasi-periodieke oscillatie of QPO genoemd, is een kenmerkend kenmerk van de aanwasschijven die vaak de meest compacte objecten in het universum omringen: witte dwergsterren, neutronensterren en zwarte gaten. QPO's zijn gezien in veel zwarte gaten met een stellaire massa, en er zijn verleidelijke bewijzen voor hen in een paar zwarte gaten met een middengewicht tussen 100 en 100.000 keer de zon.
Tot de nieuwe bevinding waren QPO's gedetecteerd rond slechts één superzwaar zwart gat - het type dat miljoenen zonsmassa's bevat en zich in de centra van sterrenstelsels bevindt. Dat object is het Seyfert-type sterrenstelsel REJ 1034 + 396, dat op een afstand van 576 miljoen lichtjaar relatief dichtbij ligt.
'Deze ontdekking breidt ons bereik uit tot de binnenste rand van een zwart gat op miljarden lichtjaren afstand, wat echt verbazingwekkend is. Dit geeft ons de mogelijkheid om de aard van zwarte gaten te verkennen en de relativiteit van Einstein te testen in een tijd waarin het universum heel anders was dan het nu is ', zegt Rubens Reis, een Einstein Postdoctoral Fellow aan de Universiteit van Michigan in Ann Arbor. Reis leidde het team dat het QPO-signaal ontdekte met behulp van gegevens van de in een baan draaiende Suzaku en XMM-Newton röntgentelescopen, een bevinding beschreven in een paper dat vandaag in Science Express is gepubliceerd.
De röntgenbron die bekend staat als Swift J1644 + 57 - naar de astronomische coördinaten in het sterrenbeeld Draco - werd op 28 maart 2011 ontdekt door de Swift-satelliet van NASA. Oorspronkelijk werd aangenomen dat het een meer algemeen type uitbarsting was, een gammastraaluitbarsting genoemd, maar de geleidelijke vervaging kwam overeen met niets dat eerder was gezien. Astronomen kwamen al snel tot het idee dat wat ze zagen de nasleep was van een werkelijk buitengewone gebeurtenis - het ontwaken van het sluimerende zwarte gat van een verre melkweg terwijl het een voorbijscheurende ster versnipperde en opslokte. De melkweg is zo ver weg dat het licht van de gebeurtenis 3,9 miljard jaar moest reizen voordat het de aarde bereikte.
Video-informatie: Op 28 maart 2011 ontdekte de Swift van NASA intense röntgenflitsen die vermoedelijk worden veroorzaakt door een zwart gat dat een ster verslindt. In een hier geïllustreerd model duikt een zonachtige ster op een excentrieke baan te dicht bij het centrale zwarte gat van zijn sterrenstelsel. Ongeveer de helft van de massa van de ster voedt een accretieschijf rond het zwarte gat, dat op zijn beurt een deeltjesstraal aandrijft die straling naar de aarde straalt. Credit: NASA's Goddard Space Flight Center / Conceptual Image Lab
De ster onderging intense getijden toen deze het dichtst bij het zwarte gat kwam en snel uit elkaar werd gescheurd. Een deel van het gas viel in de richting van het zwarte gat en vormde er een schijf omheen. Het binnenste deel van deze schijf werd snel verwarmd tot temperaturen van miljoenen graden, warm genoeg om röntgenstralen uit te zenden. Tegelijkertijd, door processen die nog steeds niet volledig worden begrepen, worden tegengesteld gerichte stralen loodrecht op de schijf gevormd nabij het zwarte gat. Deze stralen straalden materie naar buiten met snelheden van meer dan 90 procent van de lichtsnelheid langs de draaias van het zwarte gat. Een van deze jets wees gewoon recht op de aarde.
Negen dagen na de uitbarsting observeerden Reis, Strohmayer en hun collega's Swift J1644 + 57 met behulp van Suzaku, een röntgensatelliet die wordt beheerd door de Japan Aerospace Exploration Agency met deelname van NASA. Ongeveer tien dagen later begonnen ze een langere monitoringcampagne met behulp van het XMM-Newton-observatorium van de European Space Agency.
“Omdat materie in de jet zo snel bewoog en bijna in onze gezichtslijn stond, verhoogden de effecten van relativiteit het röntgensignaal voldoende zodat we de QPO konden opvangen, die anders moeilijk te detecteren zou zijn op zo'n grote afstand , 'Zei Tod Strohmayer, astrofysicus en co-auteur van de studie bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Md.
Terwijl heet gas in de binnenste schijf naar een zwart gat spiraalt, bereikt het een punt dat astronomen de binnenste stabiele cirkelbaan (ISCO) noemen. Dichter bij het zwarte gat stort het gas zich snel in de horizon van het evenement, het punt van geen terugkeer. Het naar binnen gerichte spiraalvormige gas stapelt zich op rond de ISCO, waar het enorm heet wordt en een golf van röntgenstralen uitstraalt. De helderheid van deze röntgenstralen varieert in een patroon dat zich met een bijna regelmatig interval herhaalt, waardoor het QPO-signaal ontstaat.
Uit de gegevens blijkt dat de QPO van Swift J1644 + 57 elke 3,5 minuten fietste, wat het brongebied tussen 2,2 en 5,8 miljoen mijl (4 tot 9,3 miljoen km) van het midden van het zwarte gat plaatst, de exacte afstand afhankelijk van hoe snel het zwarte gat draait. Om dit in perspectief te plaatsen: de maximale afstand is slechts ongeveer 6 keer de diameter van onze zon. De afstand van het QPO-gebied tot de gebeurtenishorizon hangt ook af van de rotatiesnelheid, maar voor een zwart gat dat ronddraait met de theorie van de maximale snelheid, bevindt de horizon zich net binnen de ISCO.
"QPO's sturen ons informatie vanaf de rand van het zwarte gat, waar de relativiteitseffecten het meest extreem worden", aldus Reis. "Het vermogen om over zo'n grote afstand inzicht te krijgen in deze processen is een werkelijk prachtig resultaat en veelbelovend."
Bijschrift bij hoofdafbeelding: deze illustratie belicht de belangrijkste kenmerken van de Swift J1644 + 57 en vat samen wat astronomen erover hebben ontdekt. Credit: NASA's Goddard Space Flight Center
