Teleskop kosmiczny IXPE pomaga badać czarne dziury
Należący do NASA teleskop kosmiczny IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) pomógł astronomom lepiej zrozumieć kształty struktur otaczających czarne dziury – w szczególności wirujący wokół niej dysk materiału i obszar plazmy zwany koroną.
.Czarna dziura o masie gwiezdnej, będąca częścią układu podwójnego Swift J1727.8-1613, została odkryta w 2023 roku podczas niezwykłego rozbłysku, który na krótko przyćmił prawie wszystkie inne źródła promieniowania rentgenowskiego. Jest to pierwszy obiekt tego typu, którego wszystkie fazy w czasie rozbłysku rentgenowskiego zostały uchwycone przez IXPE.
Nowe badanie przeprowadzone przez naukowców z NASA, opublikowane w czasopismach The Astrophysical Journal Letters, The Astrophysical Journal i Astronomy & Astrophysics, skupiało się na Swift J1727 i pozwoliło astronomom lepiej poznać zachowanie i ewolucję rentgenowskich układów podwójnych czarnych dziur.
„Uchwycony rozbłysk rentgenowski ewoluował niezwykle szybko. Od naszego pierwszego wykrycia wybuchu, Swift J1727 potrzebowała zaledwie kilku dni, aby osiągnąć maksimum. Do tego czasu IXPE i wiele innych teleskopów i instrumentów już zbierało dane. Obserwowanie wybuchu aż do powrotu do stanu spoczynku było ekscytujące” – Alexandra Veledina z University of Turku w Finlandii.
Jak podkreślają badacze, do końca 2023 r. Swift J1727 pozostawała jaśniejsza niż Mgławica Kraba – obiekt używany jako punkt odniesienia dla jednostek jasności rentgenowskiej. Takie wybuchy nie są niczym niezwykłym wśród układów podwójnych gwiazd, ale rzadko zdarzają się tak jasno i tak blisko w skali kosmicznej – zaledwie 8 800 lat świetlnych od Ziemi. Nazwa obiektu pochodzi od misji Swift Gamma-ray Burst Mission, która początkowo wykryła wybuch za pomocą teleskopu Burst Alert Telescope 24 sierpnia 2023 r., co doprowadziło do odkrycia czarnej dziury.
Rentgenowskie układy podwójne zazwyczaj składają się z dwóch blisko siebie położonych gwiazd znajdujących się na różnych etapach cyklu życia. Gdy starszemu składnikowi kończy się paliwo, wybucha ona jako supernowa, pozostawiając po sobie gwiazdę neutronową, białego karła lub czarną dziurę.
W przypadku Swift J1727 potężna grawitacja powstałej czarnej dziury oderwała materię od gwiazdy towarzyszącej, podgrzewając ją do ponad miliona stopni Celsjusza powodując masywny wyrzut promieniowania rentgenowskiego. Materia ta utworzyła dysk akrecyjny i może zawierać przegrzaną koronę. Na biegunach czarnej dziury może ona również uciekać z układu podwójnego w postaci relatywistycznych dżetów.
IXPE, który pomógł astronom zbadać wszystkie te zjawiska, specjalizuje się w polaryzacji rentgenowskiej, czyli charakterystyce światła, która pomaga mapować kształt i strukturę takich niezwykłych źródeł energii, odkrywając ich funkcjonowanie, nawet jeśli są zbyt odległe, aby były możliwe bezpośredniej obserwacji.
„Ponieważ samo światło nie może uciec przed ich grawitacją, nie możemy zobaczyć czarnych dziur. Możemy jedynie obserwować to, co dzieje się wokół nich i wyciągać wnioski na temat mechanizmów i procesów, które tam zachodzą. IXPE ma kluczowe znaczenie dla tej pracy” –twierdzi Veledina.
Badania Swift J1727 za pomocą IXPE, koncentrowały się początkowo na pierwszych fazach wybuchu. Podczas krótkiego okresu, gdy źródło stało się niezwykle jasne, korona była głównym miejscem obserwowanego promieniowania rentgenowskiego.
„IXPE udokumentował polaryzację promieniowania rentgenowskiego podróżującego wzdłuż szacowanego kierunku strumienia czarnej dziury, stamtąd gorąca plazma jest rozciągana w płaszczyźnie dysku akrecyjnego. Podobne wyniki odnotowano dla trwałej czarnej dziury binarnej Cygnus X-1, więc odkrycie to pomaga zweryfikować, że geometria jest taka sama w przypadku krótkotrwałych układów erupcyjnych”.
Astronomowie kolejno monitorowali, jak zmieniały się wartości polaryzacji podczas szczytu emisji Swift J1727. Wnioski te były zgodne z ustaleniami uzyskanymi jednocześnie podczas badań innych pasm energii promieniowania elektromagnetycznego.
Dalej naukowcy analizowali polaryzację rentgenowską podczas drugiej części wybuchu Swift J1727 i jej powrotu do stanu wysokiej energii kilka miesięcy później. Dane te pokazały, że geometria korony nie zmieniła się znacząco między początkiem i końcem rozbłysku, mimo że cały system ewoluował w międzyczasie, a jasność rentgenowska dramatycznie spadła w późniejszym stanie energetycznym.
Jak podkreślają naukowcy wyniki te pomagają lepiej zrozumieć zmieniający się kształt i strukturę dysków akrecyjnych, korony oraz struktur powiązanych z czarnymi dziurami.
.„Potrzebne są dalsze obserwacje materii w pobliżu czarnych dziur w układach podwójnych, ale udana pierwsza analiza Swift J1727.8-1613 w różnych stanach jest najlepszym początkiem nowego rozdziału, jaki możemy sobie wyobrazić” – podsumowuje Michal Dovčiak z Czech Academy of Sciences.
Oprac. EG
