2011.01.14. - Detektálták egy fekete lyukat tartalmazó rendszer 'szívdobbanásait'

Az RXTE és a Chandra műholdak mérései alapján a GRS 1915+105 katalógusjelű, egyik komponensként egy fekete lyukat tartalmazó kettős röntgentartománybeli fényessége körülbelül 50 másodperces periódussal pulzál.

A 40 ezer fényévre lévő, a Sas csillagképben megfigyelhető GRS 1915+105 (V1487 Aquilae, Nova Aquilae 1992) katalógusjelű röntgenkettős egyik komponense egy körülbelül 14 naprömegű fekete lyuk, amely folyamatosan anyagot szív el a közeli kísérőjétől, ami egy tömegbefogási (akkréciós) korongon keresztül spirálozik az eseményhorizontja felé. A becslések szerint a fekete lyuk gyorsan, az elméletileg lehetségeshez nagyon közeli szögsebességgel forog, aminek következtében az akkréciós korong belső része igen közel van hozzá, a korong belső sugara mindössze 20 százalékkal haladja meg az eseményhorizontét. Itt az anyag már a fénysebesség felével mozog.

A kettőst Joey Neilsen, a Harvard University hallgatója - aki a kutatást az American Astronomical Society Seattle-ben zajló ülésén ismertette - és munkatársai a Chandra és az RXTE (Rossi X-Ray Timing Explorer) röntgenműholdak összesen 8 órányi megfigyelése alapján vizsgálták. Az elemzés eredményeként kiderült, hogy a rendszer mintegy 50 másodperces periódussal változtatja a röntgenfényességét. A röntgenintenzitás pulzálását mutató diagram akár az emberi szív ritmikus összehúzódását jelző elektrokardiogramhoz is hasonlítható, csak a pulzusok kicsit hosszabbak. A pulzálásról már korábban is tudtak, az új megfigyelések azonban annak kiderítésében is segítenek, hogy mi okozza a periódikus fényességváltozást, illetve mi szabályozza azt, hogy a fekete lyuk mennyi anyagot tud elnyelni az akkréciós korongból. Neilsen szerint minden röntgenpulzus alkalmával a fekete lyuk óriási mennyiségű energiát pumpál a környezetébe, ami alapvetően befolyásolja a viszonyokat az akkréciós korongban, még a fekete lyuktól nagy távolságban is.

A nagy kép a GRS 1915+105 röntgenkettős környezetét mutatja az optikai/infravörös tartományban. A felső inzert a Chandra röntgenképe az objektumról, míg az alsó az 50 másodperces periódusú röntgentartománybeli pulzálást mutatja, melyről itt tekinthetők meg animációk.
[Röntgen - NASA/CXC/Harvard/J. Neilsen és tsai; optikai - Palomar DSS2]

Az RXTE által rögzített röntgenspektrumban megfigyelt változások arra utalnak, hogy az akkréciós korong belső része minden pulzus során elegendő energiát bocsát ki ahhoz, hogy annak sugárnyomása elfújja az anyagot a fekete lyuk eseményhorizontjának közeléből. Végeredményben a korong belső része olyan forró és fényes lesz, hogy magától összeomlik és a maradék anyag a fekete lyukba hullik. Ezután újra elkezd felépülni és a ciklus kezdődik előlről. A csoport egyik tagja, Ron Remillard (Massachusetts Institute of Technology) szerint ez a viselkedés jól mutatja, hogy bizonyos körülmények között a sugárnyomás hogyan győzheti le a gravitációt: a "dobbanáskor" a sugárnyomás akadályozza meg, hogy a fekete lyuk annyi anyagot nyelhessen el, mint a pulzusok között. Becslésük szerint az anyagelnyelési ráta egy ciklus során körülbelül egy nagyságrendet változik, legnagyobb a röntgenfelvillanáskor. A pulzusok között a belső rész újratöltődik a korong távolabbi régióiból.

A sorozat a röntgenfényesség pulzálásának okát illusztrálja. Az első három ábra azt mutatja, amint a sugárnyomás kifújja az anyagot az akkréciós korong belső, a fekete lyuk eseményhorizontjához közeli részéből. Közben a korong egyre forróbb és fényesebb lesz, amíg teljesen instabillá nem válik, aminek következtében a maradék anyag a fekete lyukba hullik. A keletkezett "űr" a korong távolabbi részeiből újra feltöltődik, és a ciklus kezdődik előlről.
[NASA/CXC/M. Weiss]

A kutatók a pulzusoknak az anyagbefogási korong távolabbi - a fekete lyuk eseményhorizontjának sugarát 5-6 nagyságrenddel meghaladó távolságban lévő - részeire gyakorolt hatását a Chandra nagyfelbontású spektrográfjának adatai alapján tanulmányozták. A spektrumok elemzéséből azt találták, hogy a korong külső területeiről nagy sebességgel anyag áramlik kifele, melyben mindössze 5 másodperc alatt bekövetkező változások is megfigyelhetők. Ez az idő mintegy 100-szor rövidebb, mint a csillagtömegű fekete lyukak környezetéből kiáramló anyagban korábban észlelt változásokat jellemző időtartamok. A kutatók következtetése az, hogy a korong belső részén bekövetkező intenzív röntegfelvillanás a diszk külső tartományait is felhevíti, így onnan is anyagot fúj ki minden egyes pulzus alatt. A korongból így távozó anyag mennyisége meglepően nagy, a kifújási ráta legalább 25-ször akkora, mint a fekete lyukba hulló anyag beáramlási rátája a maximumkor. Neilsen témavezetője, Julia Lee szerint a sugárnyomás miatt háromnaponta a Hold tömegének megfelelő mennyiségű anyag távozik az akkréciós korongból.

Az ábrapár az anyagbefogási korong külső tartományainak viselkedését illusztrálja. Az anyagkiáramlás akkor a leggyengébb, mikor a pulzációs ciklus alatt a röntgenintenzitás a legkisebb, és akkor a legerősebb, amikor a röntgenintenzitás a legnagyobb. Az ábrák a korongot tápláló kísérőt is mutatják.
[NASA/CXC/M. Weiss]

A korong külső régióiban fellépő nagymértékű anyagvesztés azonban néhány hét alatt visszahat a korong belső területeire is, a fekete lyukba sokkal kisebb ütemben áramlik be az anyag, így számottevően csökken a röntgenintenzitás, a pulzálás is leáll, és a rendszer valószínűleg elkezdi 13 másik ismert változásának egyikét.

Forrás:

• Chandra News 2011.01.12.