Einem tschechischen Team von Astrophysikern der Akademie der Wissenschaften ist ein wichtiger Durchbruch beim Verständnis des Verhaltens Schwarzer Löcher gelungen. Im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit haben die Wissenschaftler zwei Studien veröffentlicht, die neue Einblicke in das Verhalten von Doppelsternsystemen mit Schwarzen Löchern im Röntgenbereich geben. Ein stellarmassiges Schwarzes Loch in einem solchen System zieht Masse von seinem stellaren Gegenstück an und bildet eine sogenannte Akkretionsscheibe um sich herum. An den Polen des Schwarzen Lochs kann dann Materie in Form von hochenergetischen Ausbrüchen aus dem System entweichen.
Eine neue Entdeckung
Die Existenz des Röntgendoppelsystems Mauersegler J1727.8-1613 war bis August letzten Jahres unbekannt. Der dunkle Fleck am Himmel begann bei allen Wellenlängen hell zu leuchten und erregte die Aufmerksamkeit von Astronomen auf der ganzen Welt, insbesondere im Röntgenbereich, wo das Objekt monatelang heller war als eine andere bekannte Röntgenstrahlungsquelle innerhalb unserer Galaxie - der Krebsnebel. Plötzliche Flares sind typisch für Doppelsternsysteme, aber selten sind sie so hell und relativ nah.
Aus diesem Grund haben alle großen Röntgenobservatorien, einschließlich des IXPEein gemeinsames Projekt der NASA und der italienischen Raumfahrtagentur. An Bord IXPE ist ein spezielles Teleskop, mit dem man die Polarisation von Röntgenstrahlen messen kann. Die Polarisation bestimmt den Anteil der Lichtwellen, die in eine bestimmte Richtung schwingen. Dies erweist sich als wichtiges Instrument zum Verständnis der Prozesse, die beispielsweise in der Nähe von Schwarzen Löchern ablaufen, die starke Gravitationswirkungen auf das umgebende Material und die Strahlung haben. Die Polarisation hilft uns, die Struktur der Materie in der Nähe eines Schwarzen Lochs zu ergründen.
Veränderungen in den Spektren, die mit Veränderungen der Röntgenpolarisation einhergehen
Die erste Studie, geleitet von Jiří Svoboda vom Institut für Astronomie der Tschechischen Akademie der Wissenschaften konzentrierten sich auf die dramatischen Veränderungen in der Röntgenpolarisation, die während der verschiedenen Phasen des Flare des Systems beobachtet wurden Mauersegler J1727.8-1613 von August 2023 bis Februar dieses Jahres. "Unsere Forschung hat gezeigt, dass beim Übergang zwischen harten und weichen Spektralzuständen der Röntgenstrahlung auch erhebliche Änderungen der Polarisation auftreten", erklärt Svoboda.
Die Anfangsphase des Flares wurde von der Korona dominiert, die die Hauptquelle der harten Röntgenstrahlung im System ist. In der anschließenden weichen Phase, in der die beobachtete Strahlung weniger energiereich ist, kommen mehr Röntgenphotonen direkt von der Akkretionsscheibe. Die Astronomen schlugen zunächst neue Beobachtungen vor, die dann einen dramatischen Abfall der Polarisation zeigten. Die Tatsache, dass Änderungen des Energiespektrums, d. h. seiner Farbe, mit Änderungen der Polarisation einhergehen, bestätigt, dass sich die Struktur der Akkretionsscheibe und der Korona in dieser Phase deutlich verändert. "Es ist die Polarisation, die die geometrischen Veränderungen in der Massenverteilung der schwarzen Löcher zeigt", betont Svoboda.
Wiederherstellung des Polarisationszustands: eine überraschende Erkenntnis
Zweite Studie des Gebäudes Mauersegler J1727.8-1613die unter der Leitung von Jakub Podgorny wiederum vom Institut für Astronomie der CAS, beschäftigte sich mit der Wiederherstellung der Röntgenpolarisation nach dem Übergang vom weichen zum harten Zustand. Der harte Zustand bedeutet, dass die Strahlung der fernen Quelle viel energiereicher ist. Der beobachtete Doppelstern kehrte im April dieses Jahres nach mehreren Monaten in diesen Zustand zurück, allerdings mit etwa der 100-fachen Helligkeit des anfänglichen Flares im August 2023."Zum ersten Mal haben wir Röntgenpolarisation in einem Doppelsternsystem an diesem Übergang beobachtet", sagt Podgorný und fügt hinzu: "Wir stellen fest, dass die Polarisation zu den Werten zurückgekehrt ist, die während der Anfangsphase des Ausbruchs für dieselbe Quelle beobachtet wurden, was bedeutet, dass sich die koronale Geometrie für diesen harten Zustand nicht wesentlich ändert, obwohl die Röntgenhelligkeit deutlich abnimmt."
Obwohl der Rückgang der Röntgenhelligkeit vorhergesagt wurde, war die derzeitige vollständige Erholung des Polarisationszustandes unerwartet. Dies ist die letzte Beobachtung einer Quelle mit IXPE deutet darauf hin, dass die Struktur der Korona und der Scheibe in Doppelsternsystemen nach der Rückkehr aus dem weichen Zustand viel stabiler ist als bisher angenommen. Da die dominante Richtung der Lichtschwingungen in einem solchen Fall Mauersegler J1727.8-1613 identisch mit dem zuvor beobachteten Massenauswurf, kann man davon ausgehen, dass sich das heiße Plasma in der Korona wieder in Richtung der Scheibenebene ausdehnt, ähnlich wie im ursprünglichen, hellen, harten Zustand.
Die Bedeutung von Entdeckungen
Diese Ergebnisse stellen einen bedeutenden Fortschritt in unserem Verständnis der Wechselwirkung zwischen Schwarzen Löchern und der sie umgebenden Materie dar und zeigen, dass die Röntgenpolarisationsanalyse ein ideales Instrument ist. "Weitere Beobachtungen mit IXPE für mehrere Quellen sind erforderlich, um die Konfiguration in der Nähe von Schwarzen Löchern in Doppelsternsystemen vollständig zu bestimmen. Die erfolgreiche erste Beobachtungskampagne von Swift J1727.8-1613 in verschiedenen Zuständen ist daher der wichtigste Beginn eines neuen Kapitels", schließt er. Michal Dovčiak vom Institut für Astronomie der Tschechischen Akademie der Wissenschaften, der ebenfalls zu den Veröffentlichungen beigetragen hat und Leiter der Arbeitsgruppe ist IXPEdie sich speziell mit schwarzen Löchern mit stellarer Masse befasst.
Die Studien wurden in Fachzeitschriften mit Peer-Review veröffentlicht. Die Astrophysikalische Zeitschrift Letters a Astronomie und Astrophysik und können hier für weitere Informationen eingesehen werden:
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad402e
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2024/06/aa50566-24/aa50566-24.html
Auf der Website der NASA: https://www.nasa.gov/missions/ixpe/nasas-ixpe-details-shapes-of-structures-at-newly-discovered-black-hole/
Institut für Astronomie der CAS/ gnews - RoZ
ILLUSTRATIVES FOTO - pixabay
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