Es wird vermutet, dass das Gas eines Begleitsterns den unersättlichen Appetit eines Schwarzen Lochs in der Galaxie M101 stillt.
Die Beobachtung eines Schwarzen Lochs, das eine energetische Röntgenquelle in der Galaxie, die wir als M101 kennen, antreibt - etwa 22 Millionen Lichtjahre entfernt -, könnte das Denken der Astronomen darüber verändern, wie manche Schwarzen Löcher Materie verbrauchen.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass dieses Schwarze Loch - das als Motor für die energiereiche Lichtleistung der Röntgenquelle angesehen wird - unerwartet ist Leicht. Und trotz der großzügigen Menge an Staub und Gas, die ihm von einem riesigen Sternbegleiter zugeführt wird, schluckt er dieses Material in a überraschend ordentlich Mode.
"Es hat elegante Manieren", sagt Stephen Justham, Mitglied des Forschungsteams der National Astronomical Observatories of China der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Solche Leichtgewichte müssten die Materie nahe ihrer theoretischen Verbrauchsgrenze auffressen, um die beobachtete Energieabgabe aufrechtzuerhalten.
"Wir dachten, wenn kleine Schwarze Löcher an diese Grenzen getrieben würden, könnten sie nicht in der Lage sein, so raffinierte Methoden zum Konsum von Materie beizubehalten", erklärt Justham. „Wir haben erwartet, dass sie sich beim schnellen Essen komplizierter verhalten. Anscheinend haben wir uns geirrt. “
Künstlerkonzept eines stellaren Schwarzen Lochs (Vordergrund) mit Akkretionsscheibe. Das Gas eines Wolf-Rayet-Sterns (Hintergrund) soll den unersättlichen Appetit eines Schwarzen Lochs in der Galaxie M101 stillen. Gemini Observatory / AURA Kunstwerk von Lynette Cook.
Röntgenquellen geben energiereiche und energiearme Röntgenstrahlen ab, die Astronomen als harte bzw. weiche Röntgenstrahlen bezeichnen. In einem scheinbaren Widerspruch neigen größere Schwarze Löcher dazu, weichere Röntgenstrahlen zu erzeugen, während kleinere Schwarze Löcher dazu neigen, relativ härtere Röntgenstrahlen zu erzeugen.
Diese Quelle mit der Bezeichnung M101 ULX-1 wird von weichen Röntgenstrahlen dominiert, sodass die Forscher ein größeres Schwarzes Loch als Energiequelle erwarten.
Überraschenderweise wurden jedoch neue Beobachtungen am Gemini Observatory gemacht und in der Ausgabe des Journals vom 28. November 2013 veröffentlicht Naturzeigen an, dass das Schwarze Loch des M101 ULX-1 eher klein ist und Astrophysiker nicht verstehen, warum.
In theoretischen Modellen, wie Materie in Schwarze Löcher fällt und Energie ausstrahlt, stammen die weichen Röntgenstrahlen hauptsächlich von der Akkretionsscheibe (eine Scheibe, die das hintere Loch umgibt, wie in der obigen Abbildung), während harte Röntgenstrahlen typischerweise von a erzeugt werden hohe Energie Corona um die Scheibe. Die Modelle zeigen, dass die Emissionsstärke der Korona zunehmen sollte, wenn sich die Akkretionsrate der theoretischen Verbrauchsgrenze nähert. Wechselwirkungen zwischen Scheibe und Korona dürften ebenfalls komplexer werden.
Basierend auf der Größe des in dieser Arbeit gefundenen Schwarzen Lochs sollte der Bereich um M101-ULX-1 theoretisch von harten Röntgenstrahlen dominiert werden und strukturell komplizierter erscheinen. Dies ist jedoch nicht der Fall.
„Es wurden Theorien vorgeschlagen, die es solch massearmen Schwarzen Löchern ermöglichen, dies schnell zu essen und dies in Röntgenstrahlen hell zu leuchten. Diese Mechanismen hinterlassen jedoch Signaturen im ausgesendeten Röntgenspektrum, die dieses System nicht anzeigt “, sagt der Hauptautor Jifeng Liu von den National Astronomical Observatories of China, Chinesische Akademie der Wissenschaften. „Irgendwie kann dieses Schwarze Loch mit einer Masse, die nur das 20- bis 30-fache der Masse unserer Sonne beträgt, mit einer Rate nahe seinem theoretischen Maximum essen, während es relativ ruhig bleibt. Es ist wunderbar. Die Theorie muss jetzt irgendwie erklären, was los ist. "
Die Entdeckung versetzt auch Astronomen in die Hoffnung, schlüssige Beweise für ein „mittleres“ Schwarzes Loch in M101 ULX-1 zu finden. Solche Schwarzen Löcher hätten Massen, die ungefähr zwischen dem 100- und 1000-fachen der Sonnenmasse liegen, und sie würden zwischen normalen Schwarzen Löchern mit Sternenmasse und den monströsen supermassiven Schwarzen Löchern liegen, die sich in den Zentren von Galaxien befinden. Bisher waren diese Objekte frustrierend schwer fassbar, mit potenziellen Kandidaten, aber ohne allgemein akzeptierte Entdeckung. Ultra-leuchtende Röntgenquellen (ULX) waren eines der wichtigsten Verstecke für Schwarze Löcher mit mittlerer Masse, und M101 ULX-1 war eines der vielversprechendsten Kandidaten.
„Astronomen, die diese Objekte untersuchen möchten, müssen sich nun auf andere Orte konzentrieren, für die indirekte Beweise für diese Klasse von Schwarzen Löchern vorgeschlagen wurden, entweder in den noch helleren, hyperleuchtenden Röntgenquellen oder in einigen dichten Sternhaufen ", Erklärt Joel Bregman, Mitglied des Forschungsteams der University of Michigan.
"Viele Wissenschaftler dachten, es sei nur eine Frage der Zeit, bis wir Beweise für ein Schwarzes Loch mittlerer Masse in M101 ULX-1 hatten", sagt Liu. Aber die neuen Gemini-Erkenntnisse nehmen einen Teil der Hoffnung auf, ein altes Rätsel zu lösen, und bringen das neue Rätsel auf, wie dieses stellare Schwarze Loch die Materie so ruhig konsumieren kann.
Um die Masse des Schwarzen Lochs zu bestimmen, verwendeten die Forscher den Gemini-Multiobjekt-Spektrographen am Gemini-Nord-Teleskop auf Mauna Kea, Hawaii, um die Bewegung des Gefährten zu messen. Dieser Stern, der dem Schwarzen Loch Materie zuführt, gehört zur Wolf-Rayet-Sorte. Solche Sterne strahlen starke Sternwinde aus, aus denen das Schwarze Loch dann Material einziehen kann. Diese Studie ergab auch, dass das Schwarze Loch in M101 ULX-1 mehr Material von diesem Sternwind einfangen kann, als die Astronomen erwartet hatten.
M101 ULX-1 ist ultraleicht und scheint sowohl im Röntgenlicht (von der Akkretionsscheibe des Schwarzen Lochs) als auch im Ultravioletten (vom Begleitstern) millionenfach heller als die Sonne. Der Co-Autor Paul Crowther von der Universität von Sheffield in Großbritannien fügt hinzu: „Obwohl dies nicht die erste Wolf-Rayet-Binärdatei ist, die jemals entdeckt wurde, stellt sie in einer Entfernung von etwa 22 Millionen Lichtjahren einen neuen Entfernungsrekord auf ein solches System. Der Wolf-Rayet-Stern wird in einem kleinen Bruchteil der Zeit gestorben sein, die das Licht gebraucht hat, um uns zu erreichen. Daher handelt es sich bei diesem System wahrscheinlich um ein doppeltes Schwarzes Loch. “
„Durch das Studium von Objekten wie M101 ULX-1 in fernen Galaxien können wir die Vielfalt der Objekte in unserem Universum erheblich besser erfassen“, sagt Bregman. "Es ist absolut erstaunlich, dass wir die Technologie haben, um einen Stern zu beobachten, der ein Schwarzes Loch in einer anderen Galaxie in dieser Ferne umkreist."