Der Imaging X-ray Polarimetry Explorer hilft Forschern, die Form der Korona eines Schwarzen Lochs zu bestimmen

Neue Erkenntnisse anhand von Daten der NASA-Mission IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) bieten beispiellose Einblicke in die Form und Natur einer Struktur, die für Schwarze Löcher wichtig ist und als Korona bezeichnet wird. Die Ergebnisse sind veröffentlicht In Das Astrophysikalische Journal.

Eine Korona ist eine sich verschiebende Plasmaregion, die Teil des Materieflusses auf ein Schwarzes Loch ist und über den Wissenschaftler nur ein theoretisches Verständnis haben. Die neuen Ergebnisse enthüllen zum ersten Mal die Form der Korona und könnten den Wissenschaftlern helfen, die Rolle der Korona bei der Ernährung und Erhaltung von Schwarzen Löchern zu verstehen.

Viele Schwarze Löcher, die so genannt werden, weil nicht einmal Licht ihrer gigantischen Schwerkraft entkommen kann, sind von Akkretionsscheiben umgeben, d. h. von mit Trümmern übersäten Gasstrudeln. Einige Schwarze Löcher haben auch relativistische Jets – extrem starke Materieausbrüche, die von Schwarzen Löchern, die aktiv Material in ihrer Umgebung fressen, mit hoher Geschwindigkeit in den Weltraum geschleudert werden.

Weniger bekannt ist vielleicht, dass auch schwarze Löcher, ähnlich wie die Sonne der Erde und andere Sterne, eine überhitzte Korona besitzen. Während die Sonnenkorona, die äußerste Atmosphäre des Sterns, etwa 1,8 Millionen Grad Fahrenheit heiß ist, wird die Temperatur einer Korona eines Schwarzen Lochs auf Milliarden Grad geschätzt.

Astrophysiker zuvor identifizierte Coronae zwischen Schwarzen Löchern mit stellarer Masse – solchen, die durch den Kollaps eines Sterns entstehen – und supermassereichen Schwarzen Löchern wie dem im Herzen der Milchstraße.

„Wissenschaftler spekulieren seit langem über den Aufbau und die Geometrie der Korona“, sagte Lynne Saade, Postdoktorandin am Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama und Hauptautorin der neuen Erkenntnisse. „Ist es eine Kugel über und unter dem Schwarzen Loch oder eine durch die Akkretionsscheibe erzeugte Atmosphäre oder vielleicht Plasma an der Basis der Jets?“

Betreten Sie IXPE, das sich auf Röntgenpolarisation spezialisiert hat, die Eigenschaft von Licht, die dabei hilft, die Form und Struktur selbst der stärksten Energiequellen abzubilden und deren Innenleben zu beleuchten, selbst wenn die Objekte zu klein, zu hell oder zu weit entfernt sind, um sie direkt sehen zu können. So wie wir die Korona der Sonne während einer totalen Sonnenfinsternis sicher beobachten können, bietet IXPE die Möglichkeit, die Akkretionsgeometrie des Schwarzen Lochs oder die Form und Struktur seiner Akkretionsscheibe und verwandter Strukturen, einschließlich der Korona, klar zu untersuchen.

„Röntgenpolarisation bietet eine neue Möglichkeit, die Akkretionsgeometrie von Schwarzen Löchern zu untersuchen“, sagte Saade. „Wenn die Akkretionsgeometrie von Schwarzen Löchern unabhängig von ihrer Masse ähnlich ist, erwarten wir, dass dies auch für ihre Polarisationseigenschaften gilt.“

IXPE zeigte, dass sich die Korona bei allen Schwarzen Löchern, deren koronale Eigenschaften direkt über die Polarisation gemessen werden konnten, in die gleiche Richtung wie die Akkretionsscheibe erstreckte – was zum ersten Mal Hinweise auf die Form der Korona und eindeutige Beweise lieferte seiner Beziehung zur Akkretionsscheibe. Die Ergebnisse schließen die Möglichkeit aus, dass die Korona die Form eines über der Scheibe schwebenden Laternenpfahls hat.

Das Forschungsteam untersuchte Daten aus IXPE-Beobachtungen von 12 Schwarzen Löchern, darunter Cygnus X-1 und Cygnus LMC X-3, Schwarze Löcher mit Sternmasse in der Großen Magellanschen Wolke, mehr als 165.000 Lichtjahre entfernt.

IXPE beobachtete auch eine Reihe supermassereicher Schwarzer Löcher, darunter das im Zentrum der Circinus-Galaxie, 13 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt, und jene in den Galaxien NGC 1068 und NGC 4151, 47 Millionen Lichtjahre entfernt und fast 62 Millionen Lichtjahre entfernt -Jahre entfernt bzw.

Schwarze Löcher mit stellarer Masse haben typischerweise eine Masse, die etwa das 10- bis 30-fache der Masse der Erdsonne beträgt, während supermassereiche Schwarze Löcher eine Masse haben können, die Millionen bis Dutzende Milliarden Mal größer ist. Trotz dieser großen Größenunterschiede deuten IXPE-Daten darauf hin, dass beide Arten von Schwarzen Löchern Akkretionsscheiben mit ähnlicher Geometrie erzeugen.

Das sei überraschend, sagte der Marshall-Astrophysiker Philip Kaaret, Hauptforscher der IXPE-Mission, denn die Art und Weise, wie die beiden Arten gefüttert werden, sei völlig unterschiedlich.

„Schwarze Löcher mit stellarer Masse entreißen ihren Begleitsternen Masse, während supermassive Schwarze Löcher alles um sich herum verschlingen“, sagte er. „Dennoch funktioniert der Akkretionsmechanismus weitgehend auf die gleiche Weise.“

Das sei eine aufregende Aussicht, sagte Saade, denn sie lege nahe, dass Studien an Schwarzen Löchern mit stellarer Masse – die typischerweise viel näher an der Erde liegen als ihre viel massereicheren Cousins ​​– auch dazu beitragen können, neues Licht auf die Eigenschaften supermassereicher Schwarzer Löcher zu werfen.

Als nächstes hofft das Team, zusätzliche Untersuchungen beider Arten durchführen zu können.

Saade geht davon aus, dass aus Röntgenuntersuchungen dieser Giganten noch viel mehr zu erfahren ist.

„IXPE hat der Röntgenastronomie seit langem die erste Gelegenheit geboten, die zugrunde liegenden Akkretionsprozesse aufzudecken und neue Erkenntnisse über Schwarze Löcher zu gewinnen“, sagte sie.