I ett internationellt samarbete mellan Japan och Sverige, forskare klargjorde hur gravitation påverkar materiens form nära det svarta hålet i det binära systemet Cygnus X-1. Deras resultat, som publicerades i Natur Astronomi den här månaden, kan hjälpa forskare att ytterligare förstå fysiken kring stark gravitation och utvecklingen av svarta hål och galaxer.

Nära mitten av stjärnbilden Cygnus är en stjärna som kretsar kring det första svarta hålet som upptäcktes i universum. Tillsammans, de bildar ett binärt system som kallas Cygnus X-1. Detta svarta hål är också en av de ljusaste källorna till röntgenstrålar på himlen. Dock, materiens geometri som ger upphov till detta ljus var osäker. Forskargruppen avslöjade denna information från en ny teknik som kallas röntgenpolarimetri.

Att ta en bild av ett svart hål är inte lätt. För en sak, det är ännu inte möjligt att observera ett svart hål eftersom ljus inte kan undkomma det. Snarare, istället för att observera själva det svarta hålet, forskare kan observera ljus som kommer från materia nära det svarta hålet. När det gäller Cygnus X-1, denna materia kommer från stjärnan som kretsar nära det svarta hålet.

Mest ljus som vi ser, som från solen, vibrerar åt många håll. Polarisationen filtrerar ljuset så att det vibrerar i en riktning. Det är hur snöglasögon med polariserade linser låter skidåkare lättare se var de ska nerför berget – de fungerar eftersom filtret skär bort ljus som reflekteras från snön.

"Det är samma situation med hårda röntgenstrålar runt ett svart hål, " Hiroshima University biträdande professor och studie medförfattare Hiromitsu Takahashi sa. "Men, hårda röntgenstrålar och gammastrålar som kommer från nära det svarta hålet penetrerar detta filter. Det finns inga sådana "glasögon" för dessa strålar, så vi behöver en annan speciell typ av behandling för att styra och mäta denna spridning av ljus."

Teamet behövde ta reda på var ljuset kom ifrån och var det spreds. För att göra båda dessa mätningar, de lanserade en röntgenpolarimeter på en ballong som heter PoGO+. Därifrån, teamet kunde plocka ihop vilken del av hårda röntgenstrålar som reflekterades från accretionsskivan och identifiera materiens form.

Två konkurrerande modeller beskriver hur materia nära ett svart hål kan se ut i ett binärt system som Cygnus X-1:lyktstolpen och den utökade modellen. I lampstångsmodellen, koronan är kompakt och bunden nära det svarta hålet. Fotoner böjer sig mot ackretionsskivan, vilket resulterar i mer reflekterat ljus. I den utökade modellen, Corona är större och sprids runt det svarta hålet. I detta fall, det reflekterade ljuset från disken är svagare.

Eftersom ljuset inte böjde sig så mycket under det svarta hålets starka gravitation, teamet drog slutsatsen att det svarta hålet passade den utökade coronamodellen.

Med denna information, forskarna kan avslöja fler egenskaper om svarta hål. Ett exempel är dess spin. Effekterna av spinn kan ändra rumtiden som omger det svarta hålet. Spin kan också ge ledtrådar till utvecklingen av det svarta hålet. Det kan ha saktat ner i hastighet sedan universums början, eller så kan det ackumulera materia och snurra snabbare.

"Det svarta hålet i Cygnus är ett av många, ", sa Takahashi. "Vi skulle vilja studera fler svarta hål med hjälp av röntgenpolarimetri, som de närmare galaxernas centrum. Kanske vi bättre förstår svarta håls evolution, såväl som galaxens evolution."