Astronomer har fångat ett svart hål som kastar hett material ut i rymden med nära ljusets hastighet. Denna uppflammning fångades i en ny film från NASA:s Chandra X-ray Observatory.

Det svarta hålet och dess medföljande stjärna utgör ett system som heter MAXI J1820+070, ligger i vår galax omkring 10, 000 ljusår från jorden. Det svarta hålet i MAXI J1820+070 har en massa ungefär åtta gånger solens, identifierar det som ett så kallat stjärnmassasvart hål, bildad av förstörelsen av en massiv stjärna. (Detta står i motsats till supermassiva svarta hål som innehåller miljoner eller miljarder gånger solens massa.)

Den medföljande stjärnan som kretsar kring det svarta hålet har ungefär hälften av solens massa. Det svarta hålets starka tyngdkraft drar bort material från den medföljande stjärnan in i en röntgenskiva som omger det svarta hålet.

Medan en del av den heta gasen i skivan kommer att korsa "händelsehorisonten" (point of no return) och falla in i det svarta hålet, en del av det sprängs istället bort från det svarta hålet i ett par korta materialbalkar, eller jets. Dessa strålar pekar i motsatta riktningar, lanseras utanför händelsehorisonten längs magnetfältslinjer. De nya bilderna av detta svarta håls beteende är baserade på fyra observationer som erhölls med Chandra i november 2018 och februari, Maj, och juni 2019, och rapporterade i en tidning ledd av Mathilde Espinasse från Université de Paris.

Huvudpanelen i grafiken är en stor optisk och infraröd bild av Vintergatans galax från PanSTARRS optiska teleskop på Hawaii, med platsen för MAXI J1820+070 ovanför galaxens plan markerat av ett kors. Insatsen visar en film som cirkulerar genom de fyra Chandra-observationerna, där "dag 0" motsvarar den första observationen den 13 november, 2018, cirka fyra månader efter att jetplanet startade. MAXI J1820+070 är den ljusa röntgenkällan i mitten av bilden och röntgenkällor kan ses röra sig bort från det svarta hålet i jetstrålar mot norr och söder. MAXI J1820+070 är en punktkälla för röntgenstrålar, även om den verkar vara större än en punktkälla eftersom den är mycket ljusare än jetkällorna. Den sydliga jetstrålen är för svag för att kunna upptäckas i maj och juni 2019.

Hur snabbt rör sig materialstrålarna bort från det svarta hålet? Ur jordens perspektiv, det ser ut som om den norra jetstrålen rör sig med 60 % av ljusets hastighet, medan den södra färdas med omöjliga 160 % av ljushastigheten!

Detta är ett exempel på superluminal rörelse, ett fenomen som uppstår när något färdas mot oss nära ljusets hastighet, längs en riktning nära vår siktlinje. Detta innebär att föremålet färdas nästan lika snabbt mot oss som ljuset det genererar, ger en illusion av att strålens rörelse är snabbare än ljusets hastighet. I fallet med MAXI J1820+070, sydstrålen pekar mot oss och norrstrålen pekar bort från oss, så den södra jetstrålen verkar röra sig snabbare än den norra. Den faktiska hastigheten för partiklarna i båda strålarna är större än 80 % av ljusets hastighet.

Endast två andra exempel på sådana höghastighetsutdrivningar har setts i röntgenstrålar från svarta hål med stjärnmassa.

MAXI J1820+070 har också observerats vid radiovåglängder av ett team ledd av Joe Bright från University of Oxford, som tidigare rapporterade upptäckten av superluminal rörelse hos kompakta källor baserat på enbart radiodata som sträckte sig från lanseringen av jetplanen den 7 juli, 2018 till slutet av 2018.

Eftersom Chandra-observationerna ungefär fördubblade den tid som strålarna följdes, en kombinerad analys av radiodata och nya Chandra-data av Espinasse och hennes team gav mer information om jetplanen. Detta inkluderade bevis på att strålarna bromsar in när de reser bort från det svarta hålet.

Det mesta av energin i strålarna omvandlas inte till strålning, men frigörs istället när partiklar i strålarna interagerar med omgivande material. Dessa interaktioner kan vara orsaken till strålarnas retardation. När strålarna kolliderar med omgivande material i det interstellära rymden, chockvågor - liknande de ljudboom som orsakas av överljudsflygplan - inträffar. Denna process genererar partikelenergier som är högre än den hos Large Hadron Collider.

Forskarna uppskattar att omkring 400 miljoner miljarder pund material blåstes bort från det svarta hålet i dessa två jetstrålar som lanserades i juli 2018. Denna mängd massa är jämförbar med vad som kunde ackumuleras på skivan runt det svarta hålet inom loppet av en några timmar, och motsvarar ungefär tusen Halleys kometer eller ungefär 500 miljoner gånger massan av Empire State Building.

Studier av MAXI J1820+070 och liknande system lovar att lära oss mer om de jetstrålar som produceras av stjärnmassornas svarta hål och hur de frigör sin energi när deras jetstrålar interagerar med sin omgivning.

Radioobservationer utförda med Karl G. Jansky Very Large Array och MeerKAT-arrayen användes också för att studera MAXI J1820+070:s jetplan.

En artikel som beskriver dessa resultat publiceras i den senaste upplagan av The Astrofysiska tidskriftsbrev