Taiteilijan näkemys Cygnus X-1 -järjestelmästä, jossa keskellä on musta aukko ja sen kumppanitähti kuvassa vasemmalla / An artist’s impression of the Cygnus X-1 system, with the black hole appearing in the center and its companion star on the left

Polarisoidut röntgensäteet paljastavat erittäin kuuman aineen muodon ja suunnan mustan aukon ympärillä

04.11.2022

Tutkijat havainnoivat mustan aukon ympärillä havaittavaa röntgenhehkua ja selvittivät sen geometriaa. Tutkijoiden mukaan hehkun muoto ja suunta tukevat teoriaa, että röntgensäteet tulevat mustaan aukkoon virtaavasta levymäisestä materiaalista, joka on kohtisuorassa aiemmin kuvattuihin relativistisiin aineen ulosvirtauksiin, joita kutsutaan suihkuiksi. Havainnot auttavat ymmärtämään mustien aukkojen toimintaa ja miten ne kuluttavat niihin virtaavaa ainetta.

On hyvin tunnettu, että massiiviset tähdet, jotka painavat yli 25 aurinkoa, päättävät elämänsä erittäin tiiviiseen jäännökseen, mustaan aukkoon. 

Jos sellaisella tähdellä on lähistöllä oleva kumppani, jossain kaksoistähden evoluution vaiheessa musta aukko alkaa kuluttaa ainetta siitä. Kun ainetta vetää mustan aukon voimakas painovoima, se lämpenee miljooniin asteisiin ja voimme havaita kirkkaan röntgensäteen hehkun näistä järjestelmistä, joita kutsutaan röntgenkaksoistähdiksi. 

Havaitun röntgenhehkun kokoonpanosta ja muodosta on kuitenkin keskusteltu, ja nämä lähteet ovat liian kaukana: niiden erottaminen taivaalla on kuin yrittäisi erottaa hiuksen Kuun pinnasta. Mikään nykytekniikka ei pysty luomaan kuvaa tällaisesta järjestelmästä. 

– Ei ole edes selvää, näemmekö viimeisen vilauksen aineesta ennen kuin se ylittää tapahtumahorisontin - kuvitteellisen pinnan, jonka yli informaatio ei pääse kaukaiseen tarkkailijaan - vai onko röntgenhehku sen sijaan materiaalin murto-osan ilohuuto, kun se karkaa järjestelmästä, sanoo tähtitieteen professori Juri Poutanen Turun yliopistosta. – On ehdotettu, että näkemämme röntgenhehku on syntynyt erittäin kompaktissa pallossa. Muodon muita vaihtoehtoja olivat pitkänomainen rakenne, joko mustaan aukkoon tulevana laattana tai kartiomaisena muotona, joka osoittaa poispäin mustasta aukosta.

Äskettäin astrofyysikot löysivät tavan saada tietoa röntgensäteitä lähettävän kaasun muodosta. He käyttivät valon erityistä ominaisuutta, jota kutsutaan polarisaatioksi. Valoa voidaan pitää saapuvina aaltoina. Mutta toisin kuin meren aallot, jotka voivat värähdellä vain pystysuunnassa ylös ja alas, valoaallot voivat värähdellä mihin tahansa suuntaan. Polarisoitunut valo värähtelee vain yhteen ensisijaiseen suuntaan. 

Röntgenpolarisaatiota voidaan tuottaa sironnassa, kun fotonit pomppivat hiukkasesta toiseen. Tässä tapauksessa sen suuntaus liittyy järjestelmän symmetria-akseliin. Tämän suunnan havaitseminen ultralyhyiltä röntgenaallonpituuksilta on erittäin haastava tehtävä. Tämä tuli mahdolliseksi vasta kun NASA:n ja Italian avaruusjärjestön (ASI) yhteinen Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE) -avaruusobservatorio oli laukaistu.

Ensimmäinen tällä observatoriolla tutkittu massiivinen tähtien jäännös oli prototyyppinen mustan aukon röntgenkaksoistähti Cygnus X-1. Se on myös ensimmäinen röntgenlähde, joka löydettiin Joutsenen tähdistöstä rakettilennon aikana vuonna 1964, ja ensimmäinen lähde, joka on yleisesti hyväksytty mustaksi aukoksi. 

Cyg X-1:n polarimetriset mittaukset, joista kerrottiin 3. marraskuuta Science-lehdessä, paljastavat, että röntgensäteilyä lähettävä kaasu ulottuu kohtisuoraan kaksipuoliseen, lyijykynän muotoiseen plasman ulosvirtaukseen tai suihkuun, joka on kuvattu aikaisemmissa radiohavainnoissa. 

– Uudet tiedot sulkevat pois mallit, joissa röntgensäteilyä lähettävä kaasu muodostaa tiiviin pallon tai kartion suihkun akselia pitkin, sen sijaan tukevat vahvasti hypoteesia, että röntgensäteily tulee aineen sisäänvirtauksesta. Plasman geometrian ymmärtäminen voi paljastaa paljon mustien aukkojen sisäisestä toiminnasta ja siitä, kuinka ne kuluttavat massaa, selittää Alexandra Veledina, yksi julkaisun johtavista kirjoittajista. 

Taiteilijan näkemys Cygnus X-1 -järjestelmästä, jossa keskellä on musta aukko ja sen kumppanitähti kuvassa vasemmalla / An artist’s impression of the Cygnus X-1 system, with the black hole appearing in the center and its companion star on the left

Lisäksi IXPE:n havainnot paljastavat, että sisäänvirtaus nähdään enemmän kallellaan kuin aiemmin on ajateltu. Tämä voi viitata mustan aukon pyörimisakselin ja kiertoradan akselin väliseen epäyhteyteen. 

– Tämän oletuksen vahvistamiseksi suoritimme havainnot korkean tarkkuuden optisella polarimetrillä DIPol-2, joka voi kertoa kiertoradan akselin suunnasta taivaan tasossa, sanoo Andrei Berdyugin, vanhempi tutkija Turun yliopistosta ja huipputarkkojen optisten polarimetristen instrumenttien kehittäjä1

– Toisin kuin toisessa mustan aukon kaksoistähdenjärjestelmässä2, jossa olemme pystyneet tunnistamaan suuren taivaan tasossa havaitun poikkeaman, Cyg X-1:n kaksoistähden kiertorata on erittäin hyvin kohdistettu mustan aukon pyörimisakselin kanssa, hän lisää.

– Jännittävä löytö avaa uusia mahdollisuuksia tutkia kaarevaa aika-avaruutta ja painovoimalakeja ennennäkemättömän yksityiskohtaisesti. Olemme jo löytäneet paljon yllätyksiä useista lähteistä, ultratiheistä tähtien jäännöksistä, joita kutsutaan neutronitähdiksi3, galaksien keskusten supermassiivisiin mustiin aukkoihin. Olemme innoissamme voidessamme olla osa tätä uusien tieteellisten löytöjen aaltoa, Poutanen päättää.

Tutkimusartikkeli ”Polarized x-rays constrain the disk-jet geometry in the black hole x-ray binary Cygnus X-1” on julkaistu Science -lehdessä: 
Turun yliopiston kirjoittajat ovat Alexandra Veledina, Vladislav Loktev, Juri Poutanen, Andrei Berdyugin, Vadim Kravtsov ja Sergey Tsygankov Tuorlan observatoriosta. 

Luotu 04.11.2022 | Muokattu 04.11.2022