Nieuwe bevindingen met gegevens van NASA's IXPE-missie (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) bieden een ongekend inzicht in de vorm en aard van een structuur die belangrijk is voor zwarte gaten, de zogenaamde corona. Een corona is een verschuivend plasmagebied dat deel uitmaakt van de materiestroom naar een zwart gat, waarover wetenschappers alleen een theoretisch begrip hebben. De nieuwe resultaten onthullen voor het eerst de vorm van de corona en kunnen wetenschappers helpen bij het begrijpen van de rol die de corona speelt bij het voeden en in stand houden van zwarte gaten.
Veel zwarte gaten, zo genoemd omdat zelfs licht niet aan hun titanische zwaartekracht kan ontsnappen, worden omringd door accretieschijven, draaikolken van gas die vol zitten met puin. Sommige zwarte gaten hebben ook relativistische jets - ultrakrachtige uitbarstingen van materie die met hoge snelheid de ruimte in worden geslingerd door zwarte gaten die actief materiaal in hun omgeving opeten. Minder bekend is misschien dat zogeheten 'snacking black holes', net als de zon op aarde en andere sterren, ook een oververhitte corona hebben. Terwijl de corona van de zon, de buitenste atmosfeer van de ster, brandt bij ongeveer 1,8 miljoen graden Fahrenheit, wordt de temperatuur van de corona van een zwart gat geschat op miljarden graden.
Astrofysici hebben eerder corona's ontdekt bij zwarte gaten van stellaire massa - die gevormd zijn door de ineenstorting van een ster, en bij superzware zwarte gaten zoals die in het hart van het Melkwegstelsel. “Wetenschappers hebben lang gespeculeerd over de samenstelling en geometrie van de corona”, zegt Lynnie Saade, postdoctoraal onderzoeker aan het Marshall Space Flight Center van NASA in Huntsville, Alabama, en hoofdauteur van de nieuwe bevindingen. “Is het een bol boven en onder het zwarte gat, of een atmosfeer gegenereerd door de accretieschijf, of misschien plasma aan de basis van de jets?”
IXPE is gespecialiseerd in röntgenpolarisatie, de eigenschap van licht die helpt om de vorm en structuur van zelfs de krachtigste energiebronnen in kaart te brengen en hun innerlijke werking te belichten, zelfs als de objecten te klein, te helder of te ver weg zijn om direct te zien. Net zoals we de corona van de zon veilig kunnen observeren tijdens een totale zonsverduistering, biedt IXPE de mogelijkheid om de accretiegeometrie van het zwarte gat, of de vorm en structuur van zijn accretieschijf en gerelateerde structuren, waaronder de corona, duidelijk te bestuderen.
“Röntgenpolarisatie biedt een nieuwe manier om de accretiegeometrie van zwarte gaten te onderzoeken,” zei Saade. “Als de accretiegeometrie van zwarte gaten gelijk is, ongeacht hun massa, dan verwachten we dat hetzelfde geldt voor hun polarisatie-eigenschappen.” IXPE toonde aan dat bij alle zwarte gaten waarvan de coronale eigenschappen direct konden worden gemeten via polarisatie, de corona zich in dezelfde richting uitstrekte als de accretieschijf, wat voor het eerst aanwijzingen geeft over de vorm van de corona en duidelijk bewijs levert voor de relatie met de accretieschijf. De resultaten sluiten uit dat de corona de vorm heeft van een lantaarnpaal die boven de schijf zweeft.
Het onderzoeksteam bestudeerde gegevens van IXPE's waarnemingen van 12 zwarte gaten, waaronder Cygnus X-1 en Cygnus X-3, stellaire-massa binaire zwarte-gatenstelsels op respectievelijk 7.000 en 37.000 lichtjaar van de aarde, en LMC X-1 en LMC X-3, stellaire-massa zwarte gaten in de Grote Magelhaense Wolk op meer dan 165.000 lichtjaar afstand. IXPE heeft ook een aantal superzware zwarte gaten waargenomen, waaronder dat in het centrum van het Circinusstelsel, op 13 miljoen lichtjaar van de aarde, en die in de sterrenstelsels NGC 1068 en NGC 4151, op respectievelijk 47 miljoen lichtjaar en bijna 62 miljoen lichtjaar van de aarde.
Zwarte gaten met stellaire massa hebben doorgaans een massa die ruwweg 10 tot 30 keer zo groot is als die van de zon op aarde, terwijl superzware zwarte gaten een massa kunnen hebben die miljoenen tot tientallen miljarden keren groter is. Ondanks deze enorme verschillen in schaal, suggereren IXPE-gegevens dat beide typen zwarte gaten accretieschijven met een vergelijkbare geometrie creëren. Dat is verrassend, zegt Marshall-astrofysicus Philip Kaaret, hoofdonderzoeker van de IXPE-missie, omdat de manier waarop de twee typen worden gevoed compleet anders is. “Zwarte gaten van stellaire massa scheuren massa van hun begeleidende sterren, terwijl superzware zwarte gaten alles om zich heen verslinden”, zegt hij. “Toch werkt het accretiemechanisme op vrijwel dezelfde manier.”
Dat is een opwindend vooruitzicht, aldus Saade, omdat het suggereert dat studies van zwarte gaten met stellaire massa - die doorgaans veel dichter bij de aarde zijn dan hun veel massievere neven - ook nieuw licht kunnen werpen op eigenschappen van superzware zwarte gaten. Het team hoopt vervolgens beide typen nader te onderzoeken. Saade verwacht dat er nog veel meer te halen valt uit röntgenonderzoek naar deze kolossen. “IXPE heeft voor het eerst sinds lange tijd de röntgenastronomie de kans geboden om de onderliggende processen van accretie te onthullen en nieuwe bevindingen over zwarte gaten te ontsluiten,” zei ze. De volledige bevindingen zijn te lezen in de nieuwste uitgave van The Astrophysical Journal.
Over de IXPE missie
IXPE, dat ongekende gegevens blijft leveren die baanbrekende ontdekkingen over hemellichamen in het heelal mogelijk maken, is een gezamenlijke missie van NASA en het Italiaanse ruimteagentschap met partners en wetenschappelijke medewerkers in 12 landen. IXPE wordt geleid door Marshall. Ball Aerospace, met het hoofdkantoor in Broomfield, Colorado, beheert de operaties van het ruimtevaartuig samen met het Laboratory for Atmospheric and Space Physics van de Universiteit van Colorado in Boulder.
Bron: NASA
