Astronomové dekódují proud černé díry

Dva dalekohledy - jeden na zemi a jeden ve vesmíru - sledovaly zapnutí proudu černé díry, což umožnilo astronomům zkoumat jeho původ.

Koncept tohoto umělce ukazuje černou díru s horkým plynem, která se do něj spirálovitě šíří přes akreční disk. Čáry magnetického pole hodí minutové množství tohoto materiálu do ultrarychlého paprsku, který vystřelí ven do vesmíru.
NASA / JPL-Caltech

Možná, když jste byli malí, vymysleli jste tajný kód, například nahrazení A 1, B 2 a tak dále. Astronomové používají podobný princip k dekódování intenzivního prostředí kolem černých děr s plynoucím plynem a pomocí různých vlnových délek snímají to, co nemohou přímo vidět (alespoň ještě ne).

Například rádiové vlny vycházejí ze silných trysek, které černá díra vysílá střelbu ven do vesmíru, zatímco rentgenové paprsky pocházejí z plazmy superhot, zvané korona, blíže k černé díře. Co se týče viditelného světla, ty fotony by mohly pocházet téměř odkudkoli, a to je problém, který kód znesnadňuje.

Nyní astronomové podnikli významný krok k vyřešení kódu pomocí viditelného světla a rentgenového záření, aby vymalovali obrázek V404 Cygni, binárního systému s černou dírou hvězd, i když zůstává rozmazání i těch nejlepších současných dalekohledů. Výsledky jsou uvedeny v Nature Astronomy (plný text je k dispozici zde).

Poshak Gandhi (University of Southampton, Velká Británie) a jeho kolegové používali NUSTAR rentgenový satelit NASA a ULTRACAM, superrychlou kameru (28 snímků za sekundu) připojenou k dalekohledu William Herschel v španělské La Palmě, aby mohli sledovat emise z V404 Cygni. Černá díra, devětkrát větší než Slunce, vytáhne plyn ze svého hvězdného společníka třídy K, když se každých 6 dní bijí kolem sebe. Výsledkem je násilně proměnný systém, který často vzplanul napříč elektromagnetickým spektrem. V červnu 2015 prošel celý systém výbuchem, nejjasnějším v 21. století.

Astronomové již dříve sledovali variabilitu viditelného světla od systémů s černými dírami, ale je obtížné sledovat, odkud fotony přicházejí - mohou vzniknout v plynném disku, který napájí černou díru, hvězdném společníkovi, který napájí disk, nebo ve tryskách, které napájejí disk systém černých děr diskových sil.

Ale použití rentgenových dat tuto nejednoznačnost narušuje. Přesné změny načasování jsou kritické: ULTRACAM používá GPS k časovým razítkům s přesností asi tisíciny sekundy (1 milisekundu), která byla kalibrována pozorováním Crab pulsaru. NUSTAR poskytuje měření času s podobnou přesností pomocí palubního krystalového oscilátoru, který je nastaven během kontaktu se pozemními stanicemi.

Dne 25. června 2015 tým začal sledovat systém s koordinovaným pozorováním pomocí obou nástrojů. Ve spektru zdroje dominovaly rentgenové paprsky s nízkou energií a radiové emise naznačovaly, že nebyl přítomen žádný paprsek. Po půl hodině musel NUSTAR na chvíli zastavit pozorování, když Země prošla mezi ním a V404 Cygni. Když kosmický dalekohled obnovil svá pozorování, bylo jasné, že se stalo něco dramatického: nyní dominovaly vysoce energetické rentgenové paprsky a radiové emise naznačovaly, že se plazmový paprsek zapnul.

Přesným načasováním přicházejících rentgenových paprsků a viditelných fotonů Gandhi a jeho kolegové objevili, že záblesky viditelného světla končily rentgenové erupce za pouhých 0, 1 sekundy. Viditelná oblast vyzařující nemohla ležet daleko od rentgenové korony - fotony musely pocházet z trysky.

Tato data vykreslují jasný obraz toho, co se děje ve V404 Cygni: Plyn ukradený doprovodnou hvězdou většinou přivádí černou díru, ale silná magnetická pole odvádějí část z toho do přehřáté, rentgenové emise. Tato oblast může sloužit jako základna trysky černé díry. Plyn pak zrychluje a proudí 19 000 mil po proudu podél proudu, kde vyzařuje viditelné světlo.

Tyto tři statické snímky z animace ukazují spuštění a zrychlení blokace plazmy po proudu (první snímek), její pohyb po proudu (druhý snímek) a průchod stálým šokem, kde se znovu rozjasní. Plnou animaci si můžete stáhnout ve formátu .mov zde.
Cosmovision / W. Steffen

Gándhí předtím studoval další černou díru hvězdné hmoty, GX 339-4, která vykazuje podobné zpoždění 0, 1 sekundy mezi světlem rentgenového záření a světlem viditelného světla.

Oblast, která leží mezi koronou a viditelným světlem mezi rentgenem a viditelným světlem, je rozhodující pro pochopení trysek - to je neviditelná oblast, kde plazma zrychluje dosud neznámými prostředky. „Astronomové doufají, že pomocí výsledků této studie zdokonalí modely mechanismů poháněných proudovým paprskem, “ uvedl spoluautor studie Daniel Stern (NASA JPL).

Výsledky pěkně zapadají do předchozích studií supermasivních černých děr BL Lacertae a PKS 1510-089, říká Alan Marscher (Bostonská univerzita). I když jsou tyto černé díry miliónkrát hmotnější než V404 Cygni, vzdálenost mezi jejich oblastmi rentgenového a viditelného záření je stejná, pokud vezmete v úvahu rozdílné hmotnosti.

To ale neplatí pro všechny objekty - například se zdá, že supermasivní černá díra ve středu galaxie M87 odporuje pravidlu. Zdá se, že ďábel stále leží v detailech našeho chápání černých děr a jejich proudů.