Chinesische Astronomen haben mit dem Hard X-ray Modulation Telescope (HXMT) den jüngsten Ausbruch eines Röntgendoppelsystems mit geringer Masse namens GX 339-4 beobachtet. Sie entdeckten neue quasiperiodische Schwingungen in dieser Quelle. Ihre Ergebnisse wurden auf dem Preprint-Server veröffentlicht arXiv.
Röntgendoppelsterne (XRBs) bestehen aus einem normalen Stern oder einem Weißen Zwerg, der Masse auf einen kompakten Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch überträgt. Basierend auf der Masse des Begleitsterns unterteilen Astronomen sie in Röntgendoppelsterne mit geringer Masse (LMXB) und Röntgendoppelsterne mit hoher Masse (HMXB).
GX 339-4 liegt etwa 39.000 Lichtjahre von der Erde entfernt und ist ein wiederkehrendes Schwarzes Loch LMXB, das erstmals 1973 entdeckt wurde. Sein Schwarzes Loch wird auf mindestens 5,8-mal so massereich wie die Sonne geschätzt. GX 339−4 erlebte in den letzten dreißig Jahren häufige Ausbrüche, erlebte quasiperiodische Oszillationen (QPOs) und zeigte alle Akkretionszustände Schwarzer Löcher.
Insgesamt wurde GX 339-4 bei allen Wellenlängen umfassend untersucht, was es zu einem der am besten untersuchten LMXBs für Schwarze Löcher macht.
Der jüngste Ausbruch von GX 339-4 begann Anfang 2021 und ein Team von Astronomen unter der Leitung von Wei Wang von der Wuhan-Universität in China beschloss, HXMT-Beobachtungen dieses Ereignisses durchzuführen, um mehr Licht auf das Verhalten dieses Systems zu werfen. Dies führte zur Entdeckung neuer quasiperiodischer Oszillationen (QPOs).
Im Allgemeinen geht man davon aus, dass QPOs auftreten, wenn Röntgenstrahlen in der Nähe des inneren Randes einer Akkretionsscheibe emittiert werden, in der Gas auf ein kompaktes Objekt wie einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch wirbelt. QPOs in Röntgenbinärsystemen von Schwarzen Löchern werden basierend auf Eigenschaften wie dem Qualitätsfaktor und der Form des mit der Schwingung verbundenen Rauschens in Typ A, -B oder -C klassifiziert.
„Anhand der Daten von Insight-HXMT von Februar bis März 2021 führen wir die Röntgen-Timing-Analyse dieses neuen Ausbruchs durch. Basierend auf den Ergebnissen der Zählraten, des Härte-Intensitäts-Diagramms (HID) und des Leistungsdichtespektrums (PDS). Wir bestätigen, dass die Quelle spektrale Übergänge vom Low-Hard-Zustand (LHS) zum Hard-Intermediate-Zustand (HIMS) aufweist. Während des Übergangs vom LHS zum HIMS werden niederfrequente quasiperiodische Oszillationen (LFQPOs) erkannt in der PDS“, erklärten die Forscher.
Bei den Beobachtungen wurden Typ-C-QPOs mit Schwerpunktfrequenzen entdeckt, die sich von 0,1 bis 0,6 Hz im niedrig-harten Zustand und im Frequenzbereich von 1–3 Hz im hart-intermediären Zustand entwickelten. Die Autoren des Papiers stellten fest, dass QPOs vom Typ C die häufigste Art von QPOs in XRBs von Schwarzen Löchern sind und hauptsächlich in den Zuständen „Low-Hard“ und „Hard-Intermediate“ vorkommen.
Darüber hinaus gelang es Wangs Team erstmals, in GX 339-4 ein Phasenverzögerungsverhalten (im 50-100 keV-Band) zu identifizieren. Es stellte sich heraus, dass die Verzögerung negativ ist, wenn die QPO-Schwerpunktfrequenz unter 0,2 Hz liegt, danach aber positiv wird. Allerdings sind weitere Beobachtungen erforderlich, um die physikalischen Mechanismen solcher Phasenverzögerungen zu verstehen.
Die Studie ergab außerdem, dass im Effektivwert-Energiespektrum (RMS) der QPO-Effektivwert bei niedrigerer Energie zunächst flach bleibt und dann von etwa 10 % unter 10 keV auf 2 % über 50 keV abnimmt. Die Forscher fügten hinzu, dass die gleiche Korrelation zwischen dem Effektivwert von QPOs und der Photonenenergie über 10 keV während des Ausbruchs 2006/2007 auftrat, als die QPO-Frequenz weniger als 1 Hz betrug.
Mehr Informationen:
YJ Jin et al, Quasi-periodische Schwingungen in GX 339-4 während des Ausbruchs 2021, beobachtet mit Insight-HXMT, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2306.13994
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