Ostatnie obserwacje czarnej dziury o masie gwiazdowej zwanej Cygnus X-1 ujawniają nowe szczegóły dotyczące konfiguracji niezwykle gorącej materii w regionie bezpośrednio otaczającym czarną dziurę.

Materia jest podgrzewana do milionów stopni, gdy jest ciągnięta w kierunku czarnej dziury. Ta gorąca materia świeci w promieniach X. Naukowcy używają pomiarów polaryzacji tego promieniowania do testowania i udoskonalania modeli opisujących, jak czarne dziury połykają materię, stając się jednymi z najbardziej świecących źródeł światła – w tym promieniowania X – we wszechświecie.

Nowe pomiary z Cygnusa X-1, opublikowane online w czasopiśmie Science w czwartek, 3 listopada, są pierwszymi obserwacjami czarnej dziury wytwarzającej masę, wykonanymi przez misję Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE), będącą wynikiem międzynarodowej współpracy NASA i Włoskiej Agencji Kosmicznej (ASI). Cygnus X-1 jest jednym z najjaśniejszych źródeł promieniowania X w naszej galaktyce, składającym się z czarnej dziury o masie 21 mas słonecznych na orbicie z gwiazdą towarzyszącą o masie 41 mas słonecznych.

„Poprzednie obserwacje rentgenowskie czarnych dziur mierzyły jedynie kierunek, czas dotarcia i energię promieniowania rentgenowskiego pochodzącego z gorącej plazmy spiralnie zmierzającej w kierunku czarnych dziur” – powiedział główny autor Henric Krawczynski, Wayman Crow Professor of Physics in Arts & Sciences na Washington University w St. Louis i faculty fellow w uniwersyteckim McDonnell Center for the Space Sciences. „IXPE mierzy również ich polaryzację liniową, która niesie informacje o tym, w jaki sposób promieniowanie X zostało wyemitowane — oraz czy, i gdzie, rozprasza się od materiału w pobliżu czarnej dziury”.

Żadne światło, nawet światło promieniowania X, nie może uciec z wnętrza horyzontu zdarzeń czarnej dziury. Promienie X wykryte za pomocą IXPE są emitowane przez gorącą materię, lub plazmę, w regionie o średnicy 2000 km otaczającym horyzont zdarzeń czarnej dziury o średnicy 60 km.

Połączenie danych z IXPE z równoczesnymi obserwacjami z należących do NASA obserwatoriów NICER i NuSTAR w maju i czerwcu 2022 roku pozwoliło autorom na ograniczenie geometrii — tj. kształtu i położenia — plazmy.

Badacze stwierdzili, że plazma rozciąga się prostopadle do dwustronnego, ołówkowatego wypływu plazmy, czyli dżetu, obrazowanego we wcześniejszych obserwacjach radiowych. Zbieżność kierunku polaryzacji promieniowania X i dżetów silnie wspiera hipotezę, że procesy zachodzące w jasnym regionie rentgenowskim w pobliżu czarnej dziury odgrywają kluczową rolę w uruchomieniu dżetów.

Obserwacje zgadzają się z modelami przewidującymi, że korona gorącej plazmy albo owiewa dysk materii spiralnie zmierzający ku czarnej dziurze, albo zastępuje wewnętrzną część tego dysku. Nowe dane polaryzacyjne wykluczają modele, w których korona czarnej dziury jest wąską kolumną plazmy lub stożkiem wzdłuż osi strumienia.

Naukowcy zauważyli, że lepsze zrozumienie geometrii plazmy wokół czarnej dziury może ujawnić wiele na temat wewnętrznego działania czarnych dziur i tego, jak akreują one masę.

„Te nowe spostrzeżenia umożliwią ulepszone badania rentgenowskie tego, jak grawitacja zakrzywia przestrzeń i czas w pobliżu czarnych dziur” – powiedział Krawczynski.

W odniesieniu do czarnej dziury Cygnus X-1, „obserwacje IXPE ujawniają, że przepływ akrecyjny jest widziany bardziej brzegowo niż wcześniej sądzono,” wyjaśnił współautor Michal Dovčiak z Instytutu Astronomicznego Czeskiej Akademii Nauk.

„Może to być sygnatura niewłaściwego ustawienia płaszczyzny równikowej czarnej dziury i płaszczyzny orbitalnej układu podwójnego” lub sparowanego duetu czarnej dziury i jej gwiazdy towarzyszącej, wyjaśniła współautorka Alexandra Veledina z Uniwersytetu w Turku. „Układ mógł nabyć to niewłaściwe ustawienie, gdy gwiazda progenitorowa czarnej dziury eksplodowała”.

„Misja IXPE wykorzystuje lustra rentgenowskie wyprodukowane w Marshall Space Flight Center NASA oraz oprzyrządowanie płaszczyzny ogniskowej dostarczone w ramach współpracy ASI, Narodowego Instytutu Astrofizyki (INAF) oraz Narodowego Instytutu Fizyki Nuklearnej” – powiedział współautor Fabio Muleri z INAF-IAPS. „Poza Cygnus X-1, IXPE jest używany do badania szerokiego zakresu ekstremalnych źródeł promieniowania X, w tym masowo akreujących gwiazd neutronowych, pulsarów i mgławic z wiatrem pulsarowym, pozostałości po supernowych, naszego centrum galaktycznego i aktywnych jąder galaktyk. Znaleźliśmy wiele niespodzianek i świetnie się bawimy”.

Druga praca w tym samym numerze Science została poprowadzona przez Roberto Taverna z Uniwersytetu w Padwie i opisuje detekcję IXPE wysoko spolaryzowanego promieniowania X z magnetara 4U 0142+61.

„Jesteśmy podekscytowani, że możemy być częścią tej nowej fali odkryć naukowych w astrofizyce” – powiedział Krawczynski.

Źródło: Washington University in St. Louis, Talia Ogliore