A NASA IXPE műholdjának adatain végzett új elemzés korábban nem látott részletekre derít fényt a fekete lyukak koronájának formájáról és természetéről. A korona egy változó plazmarégió, amely a fekete lyuk felé irányuló anyagáramlás részét képezi, és csak elméleti ismereteink vannak róla. Az új eredmények most először mutatják meg a korona alakját, így segíthetnek a kutatóknak megérteni annak szerepét a fekete lyukak táplálkozásában és fennmaradásában.

A fekete lyukak onnan kapták a nevüket, hogy hatalmas gravitációjuk miatt még a fény sem tud megszökni belőlük. Sok fekete lyukat akkréciós korongnak nevezett, törmelékkel teli gázörvény vesz körül. Némelyikük még relativisztikus jettel is rendelkezik: ezeket a hihetetlenül erős anyagáramokat nagy sebességgel bocsátja ki a fekete lyuk, amely közben folyamatosan felfalja a környezetét.

Kevésbé ismert tény, hogy a falatozó fekete lyukak a Napéhoz és más csillagokéhoz hasonló túlhevített koronával is rendelkeznek. Míg a Nap koronája, vagyis atmoszférájának legkülső rétege nagyjából 1 millió Celsius-fokos, egy fekete lyuk koronája a becslések szerint több milliárd fokos is lehet.

Illusztráció egy fekete lyuk körül kavargó anyagról, amelyen feltűnően látszik a röntgenfényben ragyogó, koronának nevezett régió. (NASA/Caltech-IPAC/Robert Hurt)

Az asztrofizikusok korábban csillagtömegű fekete lyukak, valamint a Tejútrendszer központjában lévőhöz hasonló, szupernagy tömegű fekete lyukak esetében már azonosították a koronát. „A kutatók régóta dolgoznak a korona felépítésének és geometriájának megfejtésén.” – mondta Lynnie Saade (Marshall Space Flight Center, NASA), az új eredményeket ismertető tanulmány vezető szerzője. „Vajon egy gömbről van szó a fekete lyuk körül, vagy az akkréciós korong által keltett atmoszféráról, esetleg a jetek alapjánál lévő plazmáról?”

Az IXPE röntgentávcső a polarimetria módszerére specializálódott, amely lehetővé teszi a legnagyobb energiaforrások alakjának és szerkezetének feltérképezését. Ennek köszönhetően képes feltárni az ilyen égtestek belső működését még akkor is, ha túl kicsik, túl fényesek vagy túl távol vannak ahhoz, hogy közvetlenül megfigyelhetők legyenek. Ahogy a Nap koronáját biztonságosan megfigyelhetjük egy teljes napfogyatkozás során, úgy biztosít lehetőséget az IXPE a fekete lyuk akkréciós geometriájának, az akkréciós korong formájának és szerkezetének, valamint a hozzá kapcsolódó régiók, például a korona vizsgálatára.

„A röntgenpolarizáció új lehetőség a fekete lyukak akkréciójának megfigyelésére.” – mondta Saade. „Ha a fekete lyukak akkréciós geometriája a tömegüktől függetlenül hasonló, akkor erre számíthatunk a polarizációs jellemzőik esetében is.”

A kutatók az IXPE segítségével kimutatták, hogy az összes olyan fekete lyuk esetében, amelyeknek a koronája polarizációs technikával közvetlenül vizsgálható, a korona az akkréciós korong irányába terjed ki. Így első alkalommal kaptunk információkat a korona alakjáról, és bizonyítékot a korona és az akkréciós korong közötti kapcsolatra. Az eredmények kizárják annak a lehetőségét, hogy a korona a korong felett lebegő, lámpaoszlop formájú képződmény legyen.

A kutatók 12 fekete lyuk adatait tanulmányozták át, köztük a Cygnus X-1 és a Cygnus X-3 csillagtömegű fekete lyukakét (7 ezer illetve 37 ezer fényévre vannak tőlünk), valamint az LMC X-1 és az LMC X-3 csillagtömegű fekete lyukakét a Nagy Magellán-felhőben, több mint 165 ezer fényévnyire. Az IXPE több szupernagy tömegű fekete lyukat is megfigyelt, például a Földtől 13 millió fényévre lévő Circinus galaxis központi fekete lyukát, és az NGC 1068, valamint az NGC 4151 jelű galaxisokban lévő fekete lyukakat tőlünk 47 millió, illetve 62 millió fényévre.

A csillagtömegű fekete lyukak tömege általában a Nap tömegének tízszerese vagy legfeljebb harmincszorosa, míg a szupernagy tömegű fekete lyukaké akár több tízmilliárdszor is nagyobb lehet. A hatalmas tömegkülönbség ellenére az IXPE adatai arra utalnak, hogy a fekete lyukak mindkét típusa hasonló geometriájú akkréciós koronggal bír.

Philip Kaaret, az IXPE küldetés vezető kutatója szerint ez azért meglepő, mert a két típus teljesen eltérő módon táplálkozik. „A csillagtömegű fekete lyukak anyagot szakítanak el a kísérő csillaguktól, míg a szupernagy tömegű fekete lyukak mindent felfalnak maguk körül.” – mondta. „Az akkréciós folyamat mégis nagyjából ugyanúgy zajlik.”

A csillagtömegű fekete lyukak jellemzően közelebb vannak a Földhöz, mint hatalmas társaik. Saade szerint az új eredmény izgalmas, mert azt sugallja, hogy ezek tanulmányozásával többet tudhatunk meg a szupernagy tömegű fekete lyukak tulajdonságairól is.

A kutatók azt tervezik, hogy a továbbiakban is megfigyelik a fekete lyukak mindkét típusát. Saade arra számít, hogy még sok minden kiderülhet a behemót fekete lyukak röntgentartományban történő vizsgálatával. „Az IXPE hosszú ideje először adott lehetőséget a röntgencsillagászat számára, hogy feltárja az akkréció mögöttes folyamatait, és új eredményeket nyújtson a fekete lyukakról.” – mondta.

Az eredményeket ismertető tanulmány a The Astrophysical Journal című lapban jelent meg.

Forrás: NASA