Insight-HXMT, Kinas första rymdröntgenastronomiska satellit, har upptäckt en lågfrekvent kvasiperiodisk oscillation (QPO) över 200 kiloelektronvolt (keV) i ett binärt svart hål, vilket gör den till den högsta energi lågfrekventa QPO som någonsin hittats. Forskarna fann också att QPO härrörde från precessionen av en relativistisk jet (höghastighets utåtgående plasmaström) nära det svarta hålets händelsehorisont. Dessa upptäckter har viktiga konsekvenser för att lösa den långvariga debatten om det fysiska ursprunget för lågfrekventa QPO:er.

Detta jobb, publiceras online i Natur astronomi den 21 september, utfördes i första hand av forskare från Institute of High Energy Physics (IHEP) vid den kinesiska vetenskapsakademin (CAS), University of Southampton (Storbritannien), Eberhard Karls universitet i Tübingen (Tyskland), och Shanghai Astronomical Observatory of CAS.

Lågfrekventa QPO:er, upptäcktes på 1980-talet, är en vanlig observationstidsfunktion i transienta svarta håls binärer. De är kvasi-periodiska, men inte exakt periodisk, moduleringar i ljuskurvor. I mer än 30 år, ursprunget till lågfrekventa QPO:er förstods inte. De två mest populära modellerna som förklarar deras ursprung är:1) oscillationerna orsakas av instabiliteten hos ansamlingsskivan när materia roterar runt och slutligen faller in i det svarta hålet; och 2) de kvasi-periodiska röntgenmodulationerna produceras av oscillationen eller precessionen av det koronala röntgenstrålningsområdet nära det svarta hålet.

Före eran av Insight-HXMT, Röntgensatelliter kunde bara upptäcka och studera lågfrekventa QPO:er under 30 keV; Således, det var svårt att testa dessa modeller. Insight-HXMT, i kontrast, har ett brett effektivt energiområde på 1-250 keV och har den största effektiva arean över 30 keV. Därför, efter att Insight-HXMT lanserades, forskare förväntade sig att det skulle upptäcka rika lågfrekventa QPOs över 30 keV, och därmed kunna testa tidigare modeller fullt ut.

Den nya svarta håls röntgenbinära MAXI J1820+070, bestående av ett svart hål med flera solmassor och en följeslagare, började genomgå ett utbrott den 11 mars, 2018. Det har varit en av de ljusaste röntgenkällorna på himlen på länge. Insight-HXMT svarade snabbt och gjorde observationer med hög kadens på denna källa under flera månader, samlar en enorm mängd observationsdata.

Baserat på dessa uppgifter, forskarna fann att den lågfrekventa QPO av MAXI J1820+070 dök upp i ett brett energiområde och dess maximala detektionsenergi översteg 200 keV, vilket är nästan en storleksordning högre än tidigare QPOs observerade av andra teleskop, vilket indikerar att QPO inte kunde komma från den termiska strålningsregionen av accretionskivan. Ytterligare studier avslöjade att frekvensen och variabilitetsamplituden för QPO är energioberoende och att högenergi-QPO föregår lågenergi.

Dessa resultat stod otvetydigt i konflikt med de flesta för närvarande existerande modeller. Därför, forskarna föreslog att lågfrekvent QPO producerades av precession av en jet nära det svarta hålets händelsehorisont; Precessionen orsakades troligen av den generella relativitetsteoriens ramdragande effekt, genereras av det svarta hålets rotation.

Strålar är materiaströmmar med hög hastighet som rör sig nära ljusets hastighet. Massor av jetstrålar har observerats i svarta håls binärer och avlägsna kvasarer som är värd för supermassiva svarta hål (d.v.s. de av miljoner till tiotals miljarder solmassor) i radion, optiska band och röntgenband. Jets är en viktig observationsegenskap för svarta hålssystem, och är det huvudsakliga sättet för svarta hål att påverka den omgivande miljön via feedback när de sväljer närliggande materia.

Dock, dessa jets är långt ifrån svarta hål. De är vanligtvis belägna på ett avstånd av mer än en miljon gånger det svarta hålets händelsehorisont. På så långt avstånd, det svarta hålets gravitationskraft har faktiskt ingen effekt. Därför, det är oklart var dessa jetstrålar genereras, hur långt de är från de svarta hålen, hur de kan fly från de svarta hålens starka gravitationsfält och hur de accelereras till en hastighet nära ljusets hastighet.

Insight-HXMT:s upptäckt är särskilt viktig eftersom det är första gången ett jetplan har hittats bara hundratals kilometer bort från ett svart hål (dvs. flera gånger det svarta hålets händelsehorisont). Som det närmaste relativistiska jetplanet som hittills observerats i ett svart hål, fyndet är av stor betydelse för att studera de relativistiska effekterna, dynamiska processer och strålningsmekanismer.