ESA:s röntgenrymdteleskop XMM-Newton har upptäckt aldrig tidigare sett periodiska utbrott av röntgenstrålning som kommer från en avlägsen galax som kan hjälpa till att förklara några gåtfulla beteenden hos aktiva svarta hål.

XMM-Newton, det mest kraftfulla röntgenobservatoriet, upptäckte några mystiska blixtar från det aktiva svarta hålet i kärnan av galaxen GSN 069, cirka 250 miljoner ljusår bort. Den 24 december 2018, källan sågs plötsligt öka sin ljusstyrka med upp till en faktor 100, dämpade sedan tillbaka till sina normala nivåer inom en timme och tändes igen nio timmar senare.

"Det var helt oväntat, " säger Giovanni Miniutti, av Centro de Astrobiología i Madrid, Spanien, huvudförfattare till en ny artikel publicerad i tidskriften Natur i dag.

"Jätte svarta hål flimrar regelbundet som ett ljus, men de snabba, upprepade förändringar i GSN 069 från december och framåt är något helt nytt."

Ytterligare observationer, utförs med XMM-Newton såväl som NASA:s Chandra röntgenobservatorium under de följande månaderna, bekräftade att det avlägsna svarta hålet fortfarande höll tempot, avger nästan periodiska strålar av röntgenstrålar var nionde timme. Forskarna kallar det nya fenomenet "kvasi-periodiska utbrott", " eller QPEs.

"Röntgenstrålningen kommer från material som samlas in i det svarta hålet och värms upp under processen, " förklarar Giovanni.

"Det finns olika mekanismer i accretionsskivan som kan ge upphov till denna typ av kvasi-periodisk signal, potentiellt kopplat till instabiliteter i ackretionsflödet nära det centrala svarta hålet.

"Alternativt utbrotten kan bero på växelverkan mellan skivmaterialet och en andra kropp - ett annat svart hål eller kanske en rest av en stjärna som tidigare störts av det svarta hålet."

Även om det aldrig tidigare observerats, Giovanni och kollegor tror att periodiska bloss som dessa faktiskt kan vara ganska vanliga i universum.

Det är möjligt att fenomenet inte hade identifierats tidigare eftersom de flesta svarta hål i kärnorna i avlägsna galaxer, med massor av miljoner till miljarder gånger vår sols massa, är mycket större än den i GSN 069, som bara är cirka 400 000 gånger mer massiv än vår sol.

Ju större och mer massivt det svarta hålet, ju långsammare fluktuationer i ljusstyrka kan visas, så ett typiskt supermassivt svart hål skulle bryta ut inte var nionde timme, men med några månaders eller års mellanrum. Detta skulle göra upptäckt osannolik eftersom observationer sällan sträcker sig över så långa tidsperioder.

Och det finns mer. Kvasiperiodiska utbrott som de som finns i GSN 069 kan ge en naturlig ram för att tolka några förbryllande mönster som observerats i en betydande del av aktiva svarta hål, vars ljusstyrka verkar variera för snabbt för att lätt kunna förklaras av nuvarande teoretiska modeller.

"Vi känner till många massiva svarta hål vars ljusstyrka stiger eller avtar av mycket stora faktorer inom dagar eller månader, medan vi förväntar oss att de kommer att variera i mycket långsammare takt, säger Giovanni.

"Men om en del av denna variation motsvarar uppgångs- eller sönderfallsfaserna av utbrott liknande de som upptäcktes i GSN 069, sedan den snabba variationen av dessa system, vilket för närvarande verkar omöjligt, kunde naturligtvis redovisas. Nya data och ytterligare studier kommer att visa om denna analogi verkligen håller."

De kvasi-periodiska utbrotten som upptäcks i GSN 069 kan också förklara en annan spännande egenskap som observerats i röntgenstrålningen från nästan alla ljusa, accreting supermassiva svarta hål:det så kallade "mjuka överskottet."

Den består i ökad emission vid låga röntgenenergier, och det finns fortfarande ingen konsensus om vad som orsakar det, med en ledande teori som åberopar ett moln av elektroner som värmts upp nära ackretionsskivan.

Som liknande svarta hål, GSN 069 exhibits such a soft X-ray excess during bursts, but not between eruptions.

"We may be witnessing the formation of the soft excess in real time, which could shed light on its physical origin, " says co-author Richard Saxton from the XMM-Newton operation team at ESA's astronomy centre in Spain.

"How the cloud of electrons is created is currently unclear, but we are trying to identify the mechanism by studying the changes in the X-ray spectrum of GSN 069 during the eruptions."

The team is already trying to pinpoint the defining properties of GSN 069 at the time when the periodic eruptions were first detected to look for more cases to study.

"One of our immediate goals is to search for X-ray quasi-periodic eruptions in other galaxies, to further understand the physical origin of this new phenomenon, " adds co-author Margherita Giustini of Madrid's Centro de Astrobiología.

"GSN 069 is an extremely fascinating source, with the potential to become a reference in the field of black hole accretion, " says Norbert Schartel, ESA's XMM-Newton project scientist.

The discovery would not have been possible without XMM-Newton's capabilities.

"These bursts happen in the low energy part of the X-ray band, where XMM-Newton is unbeatable. We will certainly need to use the observatory again if we want to find more of these kinds of events in the future, " concludes Norbert.

"Nine-hour X-ray quasi-periodic eruptions from a low-mass black hole galactic nucleus, " by G. Miniutti et al., is published in Natur .