Nowe odkrycia wykorzystujące dane z sondy IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) oferują bezprecedensowy wgląd w kształt i naturę struktury ważnej dla czarnych dziur, zwanej koroną.
Korona to przesuwający się obszar plazmy, który jest częścią drogi, którą przepływa materia tuż przed opadnięciem na czarną dziurę. O tym fragmencie przestrzeni naukowcy mają jedynie teoretyczne pojęcie. Nowe wyniki po raz pierwszy ujawniają kształt korony i mogą pomóc naukowcom zrozumieć rolę korony w karmieniu i podtrzymywaniu czarnych dziur przy życiu.
Wiele czarnych dziur jest otoczonych dyskami akrecyjnymi, czyli potężnymi wirami gazu, w którym poruszają się także odłamki skalne. Niektóre czarne dziury mają również strumienie relatywistyczne – ultrapotężne strumienie materii wyrzucanej w przestrzeń kosmiczną z dużą prędkością przez czarne dziury, które aktywnie pożerają materię w swoim otoczeniu.
Mniej znany jest być może fakt, że czarne dziury, podobnie jak Słońce Ziemi i inne gwiazdy, również posiadają przegrzaną koronę. Podczas gdy korona Słońca, która jest najbardziej zewnętrzną atmosferą gwiazdy, rozgrzewa się do temperatury około 1,8 miliona stopni Celsjusza, temperaturę korony czarnej dziury szacuje się na miliardy stopni.
Astrofizycy wcześniej zidentyfikowali korony wśród czarnych dziur o masie gwiazdowej – tych, które powstają w wyniku zapadnięcia się gwiazdy – i supermasywnych czarnych dziur, takich jak ta w sercu Drogi Mlecznej.
Tutaj wkracza IXPE, które specjalizuje się w polaryzacji promieni rentgenowskich, cesze światła, która pomaga mapować kształt i strukturę nawet najpotężniejszych źródeł energii, oświetlając ich wewnętrzne działanie, nawet gdy obiekty są zbyt małe, jasne lub odległe, aby zobaczyć je bezpośrednio. Tak jak możemy bezpiecznie obserwować koronę Słońca podczas całkowitego zaćmienia Słońca, IXPE zapewnia sposób wyraźnego badania geometrii akrecji czarnej dziury lub kształtu i struktury jej dysku akrecyjnego i powiązanych struktur, w tym korony.
„Polaryzacja promieni rentgenowskich zapewnia nowy sposób badania geometrii akrecyjnej czarnej dziury” — powiedział Saade. „Jeśli geometria akrecyjna czarnych dziur jest podobna niezależnie od masy, spodziewamy się, że to samo będzie dotyczyć ich właściwości polaryzacyjnych”.
IXPE wykazało, że wśród wszystkich czarnych dziur, dla których właściwości koronalne można było bezpośrednio zmierzyć za pomocą polaryzacji, korona okazała się być rozciągnięta w tym samym kierunku co dysk akrecyjny — dostarczając po raz pierwszy wskazówek dotyczących kształtu korony i wyraźnych dowodów jej związku z dyskiem akrecyjnym. Wyniki wykluczają możliwość, że korona ma kształt latarni unoszącej się nad dyskiem.
Zespół badawczy przeanalizował dane z obserwacji IXPE dwunastu czarnych dziur, w tym Cygnus X-1 i Cygnus X-3, układów podwójnych czarnych dziur o masie gwiazdowej, odpowiednio około 7000 i 37000 lat świetlnych od Ziemi, oraz LMC X-1 i LMC X-3, czarnych dziur o masie gwiazdowej w Wielkim Obłoku Magellana, ponad 165000 lat świetlnych stąd. IXPE zaobserwował również szereg supermasywnych czarnych dziur, w tym tę w centrum galaktyki Circinus, 13 milionów lat świetlnych od Ziemi, a także te w galaktykach NGC 1068 i NGC 4151, odpowiednio 47 milionów lat świetlnych i prawie 62 miliony lat świetlnych stąd.
Czarne dziury o masie gwiazdowej mają zazwyczaj masę około 10 do 30 razy większą od masy Słońca, podczas gdy supermasywne czarne dziury mogą mieć masę od milionów do dziesiątek miliardów razy większą. Pomimo tych ogromnych różnic w skali, dane IXPE sugerują, że oba typy czarnych dziur tworzą dyski akrecyjne o podobnej geometrii.
To zaskakujące, powiedział astrofizyk Marshalla Philip Kaaret, główny badacz misji IXPE, ponieważ sposób, w jaki oba typy są zasilane, jest zupełnie inny.
„Czarne dziury o masie gwiazdowej wyrywają masę swoim gwiazdom towarzyszącym, podczas gdy supermasywne czarne dziury pożerają wszystko wokół siebie”, powiedział. „Jednak mechanizm akrecji działa w podobny sposób”.
To ekscytująca perspektywa, powiedział Saade, ponieważ sugeruje, że badania czarnych dziur o masie gwiazdowej – zwykle znacznie bliżej Ziemi niż ich znacznie masywniejsi kuzyni – mogą również rzucić nowe światło na właściwości supermasywnych czarnych dziur.
Zespół ma nadzieję przeprowadzić kolejne badania obu typów.
Źródło: NASA