A Tejútrendszerben több tízmillió fekete lyuk van szétszórva – a téridő rendkívül mély gravitációs kútjai ezek, amelyekből semmilyen anyag, még a fény sem juthat ki. A fekete lyukak lényegükből adódóan sötétek, kivéve azokat a ritka alkalmakat, amikor táplálkoznak. Miközben egy fekete lyuk egy társcsillagától gázt és port rabol el, olyan látványos röntgenkitöréseket produkál, amelyek visszaverődnek a spirálvonalban befelé haladó gázon, egy időre megvilágítva a fekete lyuk körüli területet.

Illusztráció egy fekete lyukról, amely anyagot szív el a szomszédos csillagtól. (Forrás: Aurore Simonnet, NASA’s Goddard Space Flight Center)

Az MIT csillagászai most közeli röntgenkettősök felvillanásait és „visszfényeit” keresték – ezek olyan rendszerek, amelyekben egy csillagot a körülötte keringő fekete lyuk emészt fel. A kutatók ezeknek a rendszereknek a visszfényeit elemzik, hogy rekonstruálják egy fekete lyuk extrém közvetlen környezetét. A technikát reverberációs térképezésnek hívják, amivel csillagtömegű fekete lyukak környezete ugyanúgy feltérképezhető, mint aktív galaxismagok szupernagy tömegű fekete lyukainak tömegbefogási folyamatai.

Az Astrophysical Journal című szaklapban nemrég megjelent tanulmányukban a kutatók beszámolnak egy új, automatizált keresőeszközről, amelyet azzal a céllal készítettek, hogy a műholdak adataiban feketelyuk-visszfényeket keressen. Kutatásaik során nyolc új visszfényes feketelyuk-kettőst fedeztek fel a Tejútrendszerben (korábban csupán két hasonló rendszert ismertünk galaxisunkban).

A kutatók összehasonlították a különböző rendszerek visszfényeit, így általános képet kaptak arról, hogyan fejlődik egy fekete lyuk egy kitörés során. Megfigyeléseik szerint a fekete lyukak először egy „kemény” állapotba kerülnek, amikor egy nagy energiájú fotonokból álló koronát és egy közel fénysebességgel kibocsátott relativisztikus részecskesugarat (jetet) hoznak létre. Felfedezték, hogy egy bizonyos ponton a fekete lyuk kibocsát egy utolsó, nagy energiájú felvillanást, mielőtt a „lágy”, kis energiájú állapotba kerülne.

Kompozit felvétel a Circinus X-1 jelzésű röntgenkettősről. (Forrás: Röntgen: NASA/CXC/Univ. of Wisconsin-Madison/S. Heinz et al; Optikai: DSS; Rádió: CSIRO/ATNF/ATCA))

Ez az utolsó felvillanás annak a jele lehet, hogy a fekete lyuk koronája, vagyis a nagy energiájú plazmából álló felhő, amely éppen a fekete lyuk határán kívül helyezkedik el, rövid időn belül kitágul, és nagy energiájú részecskék utolsó kitörését bocsátja ki, mielőtt teljesen eltűnne. Ezek az eredmények segíthetnek megmagyarázni, hogy a galaxisok központjában lévő szupernagy tömegű fekete lyukak hogyan képesek kozmikus léptékben részecskéket kilőni, amellyel galaxisok kialakulására vannak hatással.

„A fekete lyukak szerepe a galaxisfejlődésben a modern asztrofizika egyik nagy rejtélye.” – mondja Erin Kara (MIT), a tanulmány egyik szerzője. „Érdekes módon ezek a feketelyuk-kettősök úgy néznek ki, mintha „mini” szupernagy tömegű fekete lyukak lennének, így ha megértjük ezekben a kicsi, közeli rendszerekben a kitöréseket, akkor megérthetjük, hogyan hatnak a galaxisukra a szupernagy tömegű fekete lyukak hasonló kitörései.”

Kara és munkatársai röntgenvisszfények segítségével térképezik fel a fekete lyukak környezetét, hasonlóan a denevérek tájékozódásához. A denevér által kiadott ultrahang az akadályokról visszapattan, és visszhangként visszatér a denevérhez. A visszhang megérkezéséhez szükséges idő függ a denevér és az akadály közti távolságtól, így az állat képes feltérképezni a környezetét.

Az MIT csapata hasonló módon, röntgensugarak visszaverődésével igyekszik képet alkotni a fekete lyukak közvetlen környezetéről. A visszfényekben megfigyelhető időbeli eltérés a röntgensugárzás két típusát mutatja meg: a korona által kibocsátott közvetlen sugárzást, valamint a spirálvonalban befelé áramló gázból és porból álló akkréciós korongról visszavert korona-sugárzást.

Ha megmérjük az időt a korona sugárzása és a röntgenvisszfény detektálása között, megbecsülhetjük a korona és az akkréciós korong közötti távolságot. Az időeltérés változásából pedig megtudhatjuk, hogy a fekete lyuk koronája és a korong miképpen fejlődik a fekete lyuk táplálkozása közben.

A kutatók kifejlesztettek egy keresőalgoritmust, hogy átfésüljék a Nemzetközi Űrállomás fedélzetén működő NASA NICER röntgentávcső adatait. Az algoritmus fekete lyukakból álló 26 röntgenkettőst választott ki, amelyek korábban röntgenkitöréseket produkáltak. A kutatók úgy találták, hogy a 26-ból 10 rendszer elég szoros és fényes ahhoz, hogy röntgenvisszfényt produkáljon a kitörések közepette. Ebből a 10-ből 8 korábban nem mutatott hasonló jelenséget.

„Nyolc forrásban tapasztaltunk új jeleket.” – mondja Jingyi Wang, a szakcikk vezető szerzője. „A fekete lyukak tömege a Nap tömegének 5–15-szöröse, és kettős rendszerekben találhatók egy normál, kis tömegű, a Naphoz hasonló csillag mellett.”

Erin Kara az MIT oktatási és zenei szakembereivel együttműködve hallható hanghullámokká alakítja át a tipikus röntgenvisszfényeket. Itt belehallgathatunk egy fekete lyuk visszhangjába:

Forrás: Kyle Keane, Erin Kara, MIT és Michal Dovciak, ASU CAS.

A kutatók ezután lefuttatták az algoritmust a tíz feketelyuk-kettősön, és az adatokat hasonló „spektrális időzítésű jellemzőkkel” rendelkező csoportokra osztották, vagyis csoportokba rendezték őket a nagy energiájú röntgensugárzás és a visszhang között eltelt idő alapján. Így gyorsan nyomon követhették a röntgensugárzás visszfényeinek változásait a fekete lyukak kitöréseinek minden szakaszában.

Sikerült azonosítaniuk minden rendszerben egy közös fejlődési szakaszt. A kezdeti „kemény” állapotban, amikor a fekete lyuk energiája a koronában és a nagy energiájú részecskenyalábban (jet) dominál, rövid, mindössze ezredmásodperces nagyságrendű késéseket észleltek. Ez a kemény állapot néhány hétig tartott. Ezt egy több napos átmeneti időszak követte, amelyben a fekete lyuk akkréciós korongjának kis energiájú röntgensugárzása dominált.

A kutatók azt találták, hogy az átmeneti állapotban mind a tíz rendszerben átmenetileg megnőttek az időeltolódások, ami arra utal, hogy a korona és a korong közötti távolság nőtt. Az egyik magyarázat erre az, hogy a korona egy rövid időre kifelé és oldalra tágul, mielőtt a fekete lyuk befejezné a táplálkozást és elcsendesedne.

„Még az elején járunk annak, hogy visszfények segítségével rekonstruáljuk a fekete lyukak közvetlen környezetét.” – mondja Kara. „Megmutattuk, hogy ezek a visszavert sugárzások gyakran megfigyelhetők, és képesek vagyunk új módszerrel vizsgálni a fekete lyuk korongja, a jet és a korona közötti kapcsolatokat.”

Forrás: MIT