Polarymetria rentgenowska odkrywa nigdy wcześniej niewidzianą materię wokół czarnej dziury

Czarna dziura w Cygnus X-1 jest jednym z najjaśniejszych obiektów na niebie w zakresie rentgenowskim. Promieniowanie w pobliżu czarnej dziury pochodzi od materii wysysanej z towarzyszącej jej gwiazdy. Credit: NASA, ESA, Martin Kornmesser

Międzynarodowy zespół naukowców z Japonii i Szwecji wyjaśnił jak grawitacja wpływa na kształt materii w pobliżu czarnej dziury w układzie podwójnym Cygnus X-1. Wyniki badań, które zostały opublikowane w najnowszym wydaniu periodyku Nature Astronomy mogą pomóc naukowcom lepiej zrozumieć naturę silnej grawitacji oraz ewolucję czarnych dziur i galaktyk

Niemal w środku gwiazdozbioru Łabędzia znajduje się gwiazda krążąca wokół pierwszej w historii odkrytej czarnej dziury. Razem z nią gwiazda tworzy układ podwójny znany jako Cygnus X-1. Owa czarna dziura jest także jednym z najjaśniejszych źródeł promieniowania rentgenowskiego na niebie. Niemniej jednak geometria materii, która stanowi źródło tego promieniowania pozostawała niepewna. Zespołowi badawczemu udało się uzyskać tę informację za pomocą nowej techniki zwanej polarymetrią rentgenowską.

Wykonanie zdjęcia czarnej dziury nie należy do rzeczy prostych. Przede wszystkim jak na razie niemożliwym jest bezpośrednie obserwowanie czarnej dziury, ponieważ światło nie może się z niej wydostać. Zatem zamiast obserwować czarną dziurę, naukowcy mogą obserwować promieniowanie pochodzące od materii znajdującej się w pobliżu czarnej dziury. W przypadku Cygnus X-1, owa materia pochodzi z gwiazdy, która ciasno krąży wokół czarnej dziury.

Większość widzianego przez nas promieniowania, jak na przykład to emitowane przez słońce, wibruje w wielu różnych kierunkach. Polaryzacja pozwala przefiltrować promieniowanie tak, abyśmy widzieli tylko to wibrujące w jednym kierunku. W ten sposób gogle śnieżne z soczewkami polaryzującymi pozwalają narciarzom lepiej widzieć podczas zjazdu ze stoku – odcinają bowiem światło odbite od śniegu.

Credit: Masako Hayashi, CORE-U, Hiroshima University

“Tak samo jest z twardymi promieniami rentgenowskimi w pobliżu czarnej dziury” mówi profesor Hiromitrsu Takahashi z Uniwersytetu w Hiroszimie. “Jednak twarde promieniowanie rentgenowskie oraz gamma pochodzące z bezpośredniego otoczenia czarnej dziury może przenikać przez taki filtr. Nie ma “gogli” działających na takie promienie, dlatego też potrzebowaliśmy innej metody, aby bezpośrednio wykryć i zmierzyć to rozpraszanie promieniowania.”

Badacze musieli określić skąd pochodzi promieniowanie i gdzie ulega rozproszeniu. Aby wykonać takie pomiary wypuścili polarymetr rentgenowski na balonie PoGO+. Dzięki niemu, zespół był w stanie określić jaka część twardego promieniowania rentgenowskiego odbijana jest od dysku akrecyjnego oraz zidentyfikować kształt materii.

Dwa rywalizujące modele opisują możliwy wygląd materii w pobliżu czarnej dziury w układzie podwójnym takim jak Cygnus X-1. Pierwszy model (po lewej) korona jest zwarta i ściśle związana z czarną dziurą. Fotony zakrzywiają się w kierunku dysku akrecyjnego prowadząc do większej ilości promieniowania odbitego. W modelu rozszerzonym korona jest większa i rozproszona w pobliżu czarnej dziury. W tym wypadku promieniowanie odbite od dysku jest słabsze.

Dwa alternatywne modele czarnej dziury. Credit: Fumiya Imazato, Hiroshima University

Dzięki tym informacjom, naukowcy będą w stanie odkryć więcej cech czarnych dziur. Jedną z takich cech jest spin. Spin może wpływać na czasoprzestrzeń w bezpośrednim otoczeniu czarnej dziury. Spin może także powiedzieć nam wiele o ewolucji czarnej dziury. Spin czarnej dziury może słabnąć od początku wszechświata, a może też ona akreować materię zwiększając tym samym swój spin.

“Czarna dziura w Łabędziu jest tylko jedną z wielu” mówi Takahashi. “Chcielibyśmy zbadać więcej czarnych dziur korzystając z polarymetrii rentgenowskiej, także tych znajdujących się bliżej centrum różnych galaktyk. Być może uda nam się lepiej zrozumieć ewolucję czarnych dziur oraz samych galaktyk?”

Źródło: Hiroshima University