Astronomen hebben een superzwaar zwart gat (SMBH) gevonden met een ongewoon regelmatig voedingsschema. De kolos is een actieve galactische kern (AGN) in het hart van het Seyfert 2-sterrenstelsel GSN 069. De AGN is ongeveer 250 miljoen lichtjaar verwijderd van de aarde en bevat ongeveer 400.000 keer de massa van de zon.
Het team van astronomen gebruikte de XMM-Newton van ESA en de Chandra X-ray Observatory van NASA om de röntgenemissies van de SMBH te observeren. Ongeveer om de 9 uur flakkert het zwarte gat helder met röntgenstralen terwijl materiaal erin wordt getrokken. Astronomen hebben nog twee andere zwarte gaten met een stellaire massa gevonden die regelmatig oplaaien terwijl ze zich voeden, maar dit soort regelmaat in een superzwaar zwart gat is nog nooit eerder gezien.
"Dit zwarte gat staat op een maaltijdplan zoals we nog nooit eerder hebben gezien."
Giovanni Miniutti, hoofdauteur, ESA Centrum voor Astrobiologie, Spanje.
Het artikel dat deze ontdekking schetst, is gepubliceerd in Nature en heeft de titel: "Negen uur durende röntgen-quasi-periodieke uitbarstingen van een galactische kern met een laag gewicht in een zwart gat." Hoofdauteur is Giovanni Miniutti van het ESA's Centrum voor Astrobiologie in Spanje. Volgens de krant verbruikt de SMBH drie keer per dag ongeveer vier manen aan materiaal. Dat betekent dat elke keer dat het zwarte gat zich voedt, het ongeveer een miljoen miljard miljard pond materiaal verbruikt.
"Dit zwarte gat staat op een maaltijdplan zoals we nog nooit eerder hebben gezien", zei Miniutti in een persbericht. "Dit gedrag is zo ongekend dat we een nieuwe uitdrukking moesten verzinnen om het te beschrijven:" Röntgen-quasi-periodieke uitbarstingen "."
Röntgenstraling van deze SMBH is sinds juli 2010 bekend en waargenomen, maar bleef stabiel. Het nieuwe artikel is gebaseerd op 54 dagen aan observaties die in december 2018 beginnen, te beginnen met de XMM-Newton Observatory van ESA. Dat observatorium zag op 24 december twee uitbarstingen. In januari vond XMM-Newton nog drie van deze reguliere uitbarstingen.
Vervolgens vroegen astronomen om meer observatietijd bij NASA's Chandra Observatory om te onderzoeken. Chandra observeerde nog vijf van deze gebeurtenissen. Tijdens de huidige regelmatige uitbarstingen neemt de activiteit van het affakkelen van röntgenstralen toe met twee ordes van grootte over de röntgenemissies op de achtergrond. Elke uitbarsting duurt iets meer dan een uur en komt elke negen uur voor.
"Door gegevens van deze twee röntgenobservatoria te combineren, hebben we deze periodieke uitbarstingen gedurende minstens 54 dagen gevolgd", zegt co-auteur Richard Saxton van het European Space Astronomy Center in Madrid, Spanje. "Dit geeft ons een unieke kans om getuige te zijn van de stroom van materie in een superzwaar zwart gat dat herhaaldelijk versnelt en vertraagt."
Tijdens elk van deze uitbarstingen is het affakkelen van de röntgenstraling 20 keer helderder dan tijdens rustige periodes. Ook stijgt de temperatuur van het inkomende gas. Het stijgt van ongeveer 1 miljoen graden Fahrenheit in stillere periodes tot 2,5 miljoen graden Fahrenheit tijdens fakkels. De hogere temperatuur is ongeveer hetzelfde als de temperatuur van gas rond de meeste SMBH's die actief groeien.
De oorzaak van deze reguliere fakkels is onbekend. Het hete 2,5 miljoen graden F. gas dat GSN 069 omringt, heeft dezelfde temperatuur als gas dat andere SMBH's omringt. Het is een mysterie omdat het simpelweg te heet is om van de naar binnen vallende schijf met materiaal rond zwarte gaten te komen. Maar GSN 069 is een unieke kans om het fenomeen te bestuderen omdat het hete gas zich herhaaldelijk vormt en vervolgens verdwijnt.
Normaal gesproken wordt dit hete gas veroorzaakt doordat een ster uit elkaar wordt gescheurd en wordt verbruikt door een zwart gat, zo denken astronomen. Maar de regelmaat die GSN 069 vertoont, is een mysterie.
"We denken dat de oorsprong van de röntgenstraling een ster is die het zwarte gat gedeeltelijk of volledig uit elkaar heeft gescheurd en langzaam maar zeker langzaam opslokt", zegt co-auteur Margherita Giustini, ook van ESA's Centrum voor Astrobiologie. "Maar wat betreft de zich herhalende bursts, dit is een heel ander verhaal waarvan de oorsprong moet worden bestudeerd met verdere gegevens en nieuwe theoretische modellen."
Nogmaals, het is niets nieuws om een superzwaar zwart gat gas van een ster te zien verbruiken. Het is de regelmaat van het affakkelen van GSN 069 dat de hoofdschraper is. De auteurs van de studie suggereren twee mogelijke verklaringen voor het reguliere voedingsschema van de SMBH:
- De hoeveelheid energie in de schijf bouwt zich op totdat deze onstabiel wordt en materie snel in het zwarte gat valt en de bursts produceert. Die cyclus herhaalt zich.
- Er is een interactie tussen de schijf en een secundair lichaam in een baan rond het zwarte gat, misschien het overblijfsel van de gedeeltelijk verstoorde ster.
Dankzij de Chandra-waarnemingen weet het team van wetenschappers dat de bron van de uitlopende röntgenstralen precies in het hart van GSN 069 ligt. Dat is waar een SMBH wordt verwacht. De gecombineerde gegevens van Chandra en XMM-Newton laten ook duidelijk zien dat het affakkelen, hoewel regelmatig, langzaam verandert: zowel de grootte als de duur van de 'maaltijden' van het zwarte gat zijn iets afgenomen en de ruimte tussen elke maaltijd groeit. Het is aan toekomstige observaties om te zien of deze trends doorgaan.
GSN 069 is aan de kleine kant voor een SMBH. Gewoonlijk bevat een SMBH evenveel massa als enkele miljoenen of zelfs enkele miljard zonnen, terwijl GSN 069 slechts ongeveer 400.000 zonnen aan massa bevat. Dat zou kunnen helpen verklaren waarom dit type regelmatig voeren niet eerder is gezien.
Voor grotere SMBH's, veel groter dan deze, zijn hun helderheidsfluctuaties veel langzamer. In plaats van elke negen uur uit te barsten, zou het maanden of zelfs jaren moeten duren om zo te oplaaien. Dat zou verklaren waarom quasi-periodieke uitbarstingen (QPE's) zoals deze niet zijn waargenomen. Röntgenobservatoria zijn druk en er is geen manier om er zo lang een op één doelwit te trainen.
Er zijn verschillende gevallen geweest waarin grote toenames of afnames in röntgenstralen veroorzaakt door zwarte gaten zijn waargenomen. Die waarnemingen waren gebaseerd op herhaalde waarnemingen gedurende maanden of zelfs jaren. Sommige van die veranderingen zijn te snel om te worden verklaard door de standaardtheorie van inkomende materie vanaf de aanwasschijf van een zwart gat. Maar deze ontdekking zou die waarnemingen kunnen verklaren. Ze vertonen mogelijk hetzelfde gedrag als GSN 069.
Meer:
- Persbericht: wetenschappers ontdekken dat Black Hole drie warme maaltijden per dag heeft
- Onderzoekspaper: Negen uur durende röntgen-quasi-periodieke uitbarstingen van een galactische kern met een laag gewicht en een zwart gat
- Wikipedia: actieve galactische kern
