Gas fra en ledsagerstjerne menes at fodre et stjernemasse sort huls voldelige appetit i galaksen M101.
Observationer af et sort hul, der driver en energisk røntgenkilde i den galakse, vi kender som M101 - omkring 22 millioner lysår væk - kunne ændre astronomernes tanker om, hvordan nogle sorte huller forbruger stof.
Resultaterne viser, at netop dette sorte hul - der antages at være motoren bag røntgenkildens højenergi-lyseffekt - uventet er letvægt. Plus, til trods for den generøse mængde støv og gas, der føres til den af en massiv stjernekammerat, sluger det dette materiale i en overraskende ryddig mode.
”Det har elegante manerer,” siger medlem af forskningsteamet Stephen Justham fra National Astronomical Observatories of China, det kinesiske videnskabsakademi. Sådanne lysvægte, forklarer han, må fortære stof tæt på deres teoretiske forbrugsgrænser for at opretholde den observerede energiproduktion.
”Vi troede, at når små sorte huller blev skubbet til disse grænser, ville de ikke være i stand til at opretholde sådanne raffinerede måder at konsumere stof på,” forklarer Justham. ”Vi forventede, at de skulle vise mere kompliceret opførsel, når de spiste så hurtigt. Tilsyneladende tog vi fejl. ”
Kunstnerens koncept af et stjernemasse sort hul (forgrund) med akkretionsdisk. Gas fra en Wolf-Rayet-stjerne (baggrund) menes at fodre et stjernemasse sort huls gluggelige appetit i galaksen M101. Gemini Observatory / AURA-kunstværker af Lynette Cook.
Røntgenkilder afgiver røntgenstråler med høj energi og lav energi, som astronomer kalder henholdsvis hårde og bløde røntgenstråler. I hvad der kan synes som en modsætning, har større sorte huller en tendens til at producere mere bløde røntgenstråler, mens mindre sorte huller har en tendens til at producere relativt mere hårde røntgenstråler.
Denne kilde, kaldet M101 ULX-1, domineres af bløde røntgenstråler, så forskere forventede at finde et større sort hul som sin energikilde.
I en overraskende vri blev de nye observationer, der blev foretaget på Gemini-observatoriet, dog offentliggjort i tidsskriftet 28. november 2013 af tidsskriftet Natur, angiver, at M101 ULX-1s sorte hul er på den lille side, og astrofysikere forstår ikke hvorfor.
I teoretiske modeller for, hvordan stof falder ned i sorte huller og udstråler energi, kommer de bløde røntgenstråler primært fra akkretionsskiven (en disk, der omslutter det bageste hul, som på illustrationen ovenfor), mens hårde røntgenstråler typisk genereres af en højenergi corona omkring disken. Modellerne viser, at coronas emissionstyrke bør stige, når accretionshastigheden kommer tættere på den teoretiske forbrugsgrænse. Interaktioner mellem disken og corona forventes også at blive mere komplekse.
Baseret på størrelsen på det sorte hul, der findes i dette arbejde, skal regionen omkring M101-ULX-1 teoretisk set være domineret af hårde røntgenstråler og fremstå strukturelt mere kompliceret. Det er dog ikke tilfældet.
”Der er foreslået teorier, der giver sådanne sorte huller med lav masse mulighed for at spise dette hurtigt og skinne dette lyse i røntgenstråler. Men disse mekanismer efterlader underskrifter i det udsendte røntgenspektrum, som dette system ikke viser, ”siger hovedforfatter Jifeng Liu fra National Astronomical Observatories of China, det kinesiske videnskabsakademi. ”På en eller anden måde er dette sorte hul med en masse kun 20-30 gange massen af vores sol i stand til at spise i en hastighed tæt på dets teoretiske maksimum, mens det forbliver relativt roligt. Det er fantastisk. Teori skal nu på en eller anden måde forklare, hvad der foregår. ”
Opdagelsen leverer også et slag for astronomer i håb om at finde afgørende bevis for et ”mellemmasse” sort hul i M101 ULX-1. Sådanne sorte huller ville have masser stort set mellem 100 og 1000 gange solens masse og placere dem mellem normale sorte huller i stjernemassen og de uhyrlige, supermassive sorte huller, der bor i galaksernes centre. Indtil videre har disse objekter været frustrerende undvigende med potentielle kandidater, men ingen bredt accepteret detektion. Ultralysende røntgenkilder (ULX'er) har været en af de vigtigste foreslåede skjulsteder for sorte huller i mellemmasse, og M101 ULX-1 var en af de mest lovende udfordrere.
”Astronomer, der håber at studere disse objekter, bliver nu nødt til at fokusere på andre steder, hvor indirekte bevis for denne klasse af sorte huller er blevet foreslået, enten i de endnu lysere” hyperlysende ”røntgenkilder eller inden i nogle tætte klynger af stjerner , ”Forklarer forskerteammedlem Joel Bregman fra University of Michigan.
”Mange videnskabsmænd troede, det var bare et spørgsmål om tid, indtil vi havde bevis for et mellemmasse sort hul i M101 ULX-1,” siger Liu. Men de nye Gemini-fund fjerner begge noget af det håb om at løse et gammelt puslespil og tilføjer det friske mysterium om, hvordan dette stjernemasse sorte hul kan forbruge sagen så roligt.
For at bestemme massen af det sorte hul brugte forskerne Gemini Multi-Object Spectrograph på Gemini North-teleskopet på Mauna Kea i Hawaii til at måle ledsagerens bevægelse. Denne stjerne, der føder stof til det sorte hul, er af sorten Wolf-Rayet. Sådanne stjerner udsender stærk stjernevind, hvorfra det sorte hul derefter kan trække materiale ind. Denne undersøgelse afslørede også, at det sorte hul i M101 ULX-1 kan fange mere materiale fra den stjernevind, end astronomer havde forventet.
M101 ULX-1 er ultralysende og skinner en million gange lysere end solen i begge røntgenstråler (fra det sorte huls akkretionsskive) og i den ultraviolette (fra ledsagerens stjerne). Medforfatter Paul Crowther fra University of Sheffield i Storbritannien tilføjer: ”Selvom dette ikke er det første Wolf-Rayet-sorte hul, der nogensinde er blevet opdaget, på ca. 22 millioner lysår væk, sætter det imidlertid en ny afstandsrekord for et sådant system. Wolf-Rayet-stjernen vil være død i en lille brøkdel af den tid, det har taget for lys at nå os, så dette system er sandsynligvis et dobbelt sort hul binært. ”
”At studere objekter som M101 ULX-1 i fjerne galakser giver os en meget større prøveudtagning af mangfoldigheden af objekter i vores univers,” siger Bregman. ”Det er helt fantastisk, at vi har teknologien til at observere en stjerne, der kredser rundt om et sort hul i en anden galakse så langt væk.”