Die jüngsten Beobachtungen von Forschern eines Schwarzen Lochs mit stellarer Masse namens Cygnus X-1 enthüllen neue Details über die Konfiguration extrem heißer Materie in der Region, die das Schwarze Loch unmittelbar umgibt.
Materie wird auf Millionen Grad erhitzt, wenn sie auf ein Schwarzes Loch zugezogen wird. Diese heiße Materie leuchtet in Röntgenstrahlen. Forscher verwenden Messungen der Polarisation dieser Röntgenstrahlen, um Modelle zu testen und zu verfeinern, die beschreiben, wie Schwarze Löcher Materie verschlucken und zu einer der leuchtendsten Lichtquellen – einschließlich Röntgenstrahlen – im Universum werden.
Die neuen Messungen von Cygnus X-1, online veröffentlicht von der Zeitschrift Wissenschaft am Donnerstag, den 3. November, stellen die ersten Beobachtungen eines masseakkretierenden Schwarzen Lochs von der Mission Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE) dar, einer internationalen Zusammenarbeit zwischen der NASA und der italienischen Weltraumbehörde (ASI). Cygnus X-1 ist eine der hellsten Röntgenquellen in unserer Galaxie und besteht aus einem Schwarzen Loch mit 21 Sonnenmassen im Orbit mit einem Begleitstern mit 41 Sonnenmassen.
Das Video zeigt eine Zoomsequenz, die von einer entfernten Ansicht der Milchstraße bis zu der von IXPE beobachteten Quelle, dem Magnetar 4U 0142+61 (auch als PSR 0146+6145 bezeichnet) im Sternbild Cassiopeia, etwa 13.000 Lichtjahre entfernt, beginnt Erde. Bildnachweis: Roberto Taverna
„Frühere Röntgenbeobachtungen von Schwarzen Löchern haben nur die Ankunftsrichtung, Ankunftszeit und Energie der Röntgenstrahlen aus heißem Plasma gemessen, das sich spiralförmig auf die Schwarzen Löcher zubewegt“, sagte der Hauptautor Henric Krawczynski, der Wayman-Crow-Professor für Physik in Kunst und Wissenschaft an der Washington University in St. Louis und Fakultätsmitglied am McDonnell Center for the Space Sciences der Universität. „IXPE misst auch ihre lineare Polarisation, die Informationen darüber enthält, wie die Röntgenstrahlen emittiert wurden – und ob und wo sie an Material in der Nähe des Schwarzen Lochs gestreut werden.“
Kein Licht, nicht einmal Röntgenlicht, kann aus dem Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs entkommen. Die mit IXPE erfassten Röntgenstrahlen werden von der heißen Materie oder dem Plasma in einer Region mit einem Durchmesser von 2.000 km emittiert, die den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs mit einem Durchmesser von 60 km umgibt.
Durch die Kombination der IXPE-Daten mit gleichzeitigen Beobachtungen der Röntgenobservatorien NICER und NuSTAR der NASA im Mai und Juni 2022 konnten die Autoren die Geometrie – dh Form und Ort – des Plasmas einschränken.
Die Forscher fanden heraus, dass sich das Plasma senkrecht zu einem zweiseitigen, bleistiftförmigen Plasmaausfluss oder Jet erstreckt, der in früheren Radiobeobachtungen abgebildet wurde. Die Ausrichtung der Röntgenpolarisationsrichtung und des Jets stützt stark die Hypothese, dass die Prozesse in der röntgenhellen Region in der Nähe des Schwarzen Lochs eine entscheidende Rolle beim Start des Jets spielen.
Die Beobachtungen stimmen mit Modellen überein, die vorhersagen, dass die Korona aus heißem Plasma entweder die Materiescheibe einschließt, die sich spiralförmig auf das Schwarze Loch zubewegt, oder den inneren Teil dieser Scheibe ersetzt. Die neuen Polarisationsdaten schließen Modelle aus, in denen die Korona des Schwarzen Lochs eine schmale Plasmasäule oder ein Kegel entlang der Strahlachse ist.
Die Wissenschaftler stellten fest, dass ein besseres Verständnis der Geometrie des Plasmas um ein Schwarzes Loch viel über das Innenleben von Schwarzen Löchern und darüber, wie sie Masse ansammeln, verraten kann.
„Diese neuen Erkenntnisse werden verbesserte Röntgenstudien darüber ermöglichen, wie die Schwerkraft Raum und Zeit in der Nähe von Schwarzen Löchern krümmt“, sagte Krawczynski.
Speziell in Bezug auf das Schwarze Loch Cygnus X-1 „zeigen IXPE-Beobachtungen, dass der Akkretionsfluss von der Seite gesehen wird, als bisher angenommen wurde“, erklärte Co-Autor Michal Dovčiak vom Astronomischen Institut der Tschechischen Akademie der Wissenschaften.
„Dies könnte eine Signatur für eine Fehlausrichtung der Äquatorialebene des Schwarzen Lochs und der Umlaufbahnebene des Doppelsterns sein“, oder das gepaarte Duo des Schwarzen Lochs und seines Begleitsterns, erklärte Co-Autorin Alexandra Veledina von der Universität Turku . „Das System hat diese Fehlausrichtung möglicherweise erlangt, als der Vorläuferstern des Schwarzen Lochs explodierte.“
„Die IXPE-Mission verwendet Röntgenspiegel, die im Marshall Space Flight Center der NASA hergestellt werden, und Brennebeneninstrumente, die von einer Zusammenarbeit von ASI, dem National Institute for Astrophysics (INAF) und dem National Institute for Nuclear Physics bereitgestellt werden“, sagte Co-Autor Fabio Muleri von INAF-IAPS. „Über Cygnus X-1 hinaus wird IXPE verwendet, um ein breites Spektrum extremer Röntgenquellen zu untersuchen, darunter masseakkretierende Neutronensterne, Pulsare und Pulsarwindnebel, Supernova-Überreste, unser galaktisches Zentrum und aktive galaktische Kerne. Wir haben es gefunden viele Überraschungen, und wir haben eine Menge Spaß.“
Ein zweiter Aufsatz in derselben Ausgabe von Wissenschaft wurde von Roberto Taverna an der Universität Padova geleitet und beschreibt die IXPE-Detektion von hochpolarisierten Röntgenstrahlen des Magnetars 4U 0142+61.
„Wir sind begeistert, Teil dieser neuen Welle wissenschaftlicher Entdeckungen in der Astrophysik zu sein“, sagte Krawczynski.
Mehr Informationen:
Henric Krawczynski et al, Polarisierte Röntgenstrahlen schränken die Scheibenstrahlgeometrie im Schwarzloch-Röntgenbinärsystem Cygnus X-1 ein, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.add5399. www.science.org/doi/10.1126/science.add5399
Polarisierte Röntgenstrahlen von einem Magnetar, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.add0080. www.science.org/doi/10.1126/science.add0080