Ett internationellt team av astronomer, ledd av University of Southampton, har använt toppmoderna kameror för att skapa en film med hög bildhastighet av ett växande svart hålssystem på en detaljnivå som aldrig tidigare skådats. Under processen upptäckte de nya ledtrådar för att förstå den omedelbara omgivningen av dessa gåtfulla föremål. Forskarna publicerar sitt arbete i en ny tidning i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .

Svarta hål kan livnära sig på en närliggande stjärna och skapa stora anhopningsskivor av material. Här, effekten av det svarta hålets starka gravitation och materialets eget magnetfält kan göra att snabbt växlande strålningsnivåer sänds ut från systemet som helhet.

Denna strålning upptäcktes i synligt ljus av HiPERCAM-instrumentet på Gran Telescopio Canarias (La Palma, Kanarieöarna) och i röntgenstrålar av NASA:s NICER-observatorium ombord på den internationella rymdstationen.

Det svarta hålssystemet som studerats heter MAXI J1820+070, och upptäcktes först i början av 2018. Det är bara cirka 10, 000 ljusår bort, i vår egen Vintergatan. Den har massan av cirka 7 solar, med detta kollapsade till en region av rymden mindre än City of London.

Att undersöka dessa system är vanligtvis mycket svårt, eftersom deras avstånd gör dem för svaga och för små för att ses - inte ens med Event Horizon-teleskopet, som nyligen tog en bild av det svarta hålet i mitten av galaxen M87. HiPERCAM- och NICER-instrumenten låter dock forskarna spela in "filmer" av det föränderliga ljuset från systemet med över trehundra bilder per sekund, fångar våldsamt "sprakande" och "flossande" av synligt ljus och röntgenljus.

John Paice, en doktorand vid University of Southampton och Inter-University Center for Astronomy &Astrophysics i Indien var huvudförfattare till studien som presenterade dessa resultat, och även artisten som skapade filmen. Han förklarade arbetet på följande sätt:"Filmen gjordes med riktiga data, men saktade ner till 1/10 av den faktiska hastigheten för att tillåta de snabbaste blossarna att urskiljas av det mänskliga ögat. Vi kan se hur materialet runt det svarta hålet är så ljust, den överglänser stjärnan som den förtär, och de snabbaste flimmerna varar bara några millisekunder – det är resultatet av hundra solar och fler som sänds ut på ett ögonblick."

Forskare fann också att fall i röntgennivåer åtföljs av en ökning av synligt ljus (och vice versa). Och de snabbaste blixtarna i synligt ljus visade sig komma fram en bråkdel av en sekund efter röntgenstrålar. Sådana mönster avslöjar indirekt närvaron av distinkt plasma, extremt varmt material där elektroner avlägsnas från atomer, i strukturer djupt i omfamningen av det svarta hålets gravitation, annars för liten för att lösas.

Det är inte första gången detta har hittats; en skillnad på en del av en sekund mellan röntgen och visuellt ljus har setts i två andra system som är värd för svarta hål, men den har aldrig observerats på denna detaljnivå. Medlemmar av detta internationella team har legat i framkant på detta område under det senaste decenniet. Dr Poshak Gandhi, även från Southampton, hittade samma flyktiga taktarter även i de två tidigare systemen.

Han kommenterade betydelsen av dessa fynd:"Det faktum att vi nu ser detta i tre system stärker tanken att det är en förenande egenskap hos sådana växande svarta hål. Om det är sant, detta måste säga oss något fundamentalt om hur plasmaflöden runt svarta hål fungerar.

"Våra bästa idéer åberopar en djup koppling mellan inspirerande och utströmmande delar av plasman. Men det här är extrema fysiska förhållanden som vi inte kan replikera i jordens laboratorier, och vi förstår inte hur naturen klarar detta. Sådana data kommer att vara avgörande för att hitta rätt teori."