Den 11 mars, ett instrument ombord på den internationella rymdstationen upptäckte en enorm explosion av röntgenljus som växte till att bli sex gånger så stark som krabbnebulosan, nästan 10, 000 ljusår bort från jorden. Forskare fastställde att källan var ett svart hål som fångats mitt i ett utbrott - en extrem fas där ett svart hål kan spy ut briljanta utbrott av röntgenenergi när det slukar en lavin av gas och damm från en närliggande stjärna.

Nu har astronomer från MIT och andra håll upptäckt "ekon" inom denna explosion av röntgenstrålning, som de tror kan vara en ledtråd till hur svarta hål utvecklas under ett utbrott. I en studie publicerad i dag i tidskriften Natur , teamet rapporterar bevis på att när det svarta hålet förbrukar enorma mängder stjärnmaterial, dess korona – gloria av högenergiserade elektroner som omger ett svart hål – krymper avsevärt, från en initial vidd på cirka 100 kilometer (ungefär samma bredd som Massachusetts) till bara 10 kilometer, på drygt en månad.

Fynden är det första beviset på att koronan krymper när ett svart hål matar sig, eller accretes. Resultaten tyder också på att det är koronan som driver ett svart håls utveckling under den mest extrema fasen av dess utbrott.

"Det här är första gången som vi har sett den här typen av bevis på att det är koronan som krymper under denna speciella fas av utbrottsutvecklingen, säger Jack Steiner, en forskare vid MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Coronan är fortfarande ganska mystisk, och vi har fortfarande en lös förståelse för vad det är. Men vi har nu bevis för att det som utvecklas i systemet är själva koronans struktur."

Steiners MIT-medförfattare inkluderar Ronald Remillard och första författaren Erin Kara.

Röntgenekon

Det svarta hålet som upptäcktes den 11 mars fick namnet MAXI J1820+070, för instrumentet som upptäckte det. Uppdraget Monitor of All-sky X-ray Image (MAXI) är en uppsättning röntgendetektorer installerade i den japanska experimentmodulen på den internationella rymdstationen (ISS), som övervakar hela himlen efter röntgenutbrott och flammor.

Strax efter att instrumentet plockade upp det svarta hålets utbrott, Steiner och hans kollegor började observera händelsen med NASA:s neutronstjärna Interior Composition Explorer, eller trevligare, ett annat instrument ombord på ISS, som designades delvis av MIT, för att mäta mängden och tidpunkten för inkommande röntgenfotoner.

"Detta blomstrande ljusa svarta hålet kom på scenen, och det var nästan helt oskymt, så vi fick en mycket orörd bild av vad som pågick, säger Steiner.

Ett typiskt utbrott kan uppstå när ett svart hål suger bort enorma mängder material från en närliggande stjärna. Detta material samlas runt det svarta hålet, i en virvlande virvel känd som en ackretionsskiva, som kan sträcka sig över miljontals mil. Material i skivan som är närmare mitten av det svarta hålet snurrar snabbare, genererar friktion som värmer upp skivan.

"Gasen i mitten är miljontals grader i temperatur, " säger Steiner. "När du värmer något så varmt, det lyser ut som röntgenstrålar. Denna skiva kan genomgå laviner och hälla ner sin gas i det centrala svarta hålet med ungefär Mount Everests gas per sekund. Och det är då det går i utbrott, som vanligtvis varar ungefär ett år."

Forskare har tidigare observerat att röntgenfotoner som sänds ut av accretionskivan kan pingisa av högenergielektroner i ett svart håls korona. Steiner säger att några av dessa fotoner kan spridas "ut i det oändliga, " medan andra sprider sig tillbaka på ackretionsskivan som röntgenstrålar med högre energi.

Genom att använda NICER, teamet kunde samla in extremt exakta mätningar av både energin och tidpunkten för röntgenfotoner under hela det svarta hålets utbrott. Avgörande, de fick upp "ekon, " eller släpar mellan lågenergifotoner (de som ursprungligen kan ha sänts ut av ackretionsskivan) och högenergifotoner (röntgenstrålarna som sannolikt hade interagerat med koronans elektroner). Under loppet av en månad, forskarna observerade att längden på dessa fördröjningar minskade signifikant, vilket indikerar att avståndet mellan koronan och accretionskivan också krympte. Men var det skivan eller koronan som höll på att skifta in?

För att svara på detta, forskarna mätte en signatur som astronomer känner till som "järnlinjen" - en egenskap som sänds ut av järnatomerna i en ansamlingsskiva först när de är strömsatta, till exempel genom reflektion av röntgenfotoner från en koronas elektroner. Järn, därför, kan mäta den inre gränsen för en ackretionsskiva.

När forskarna mätte järnlinjen under hela utbrottet, de hittade ingen mätbar förändring, vilket tyder på att själva skivan inte förändrades i form, men förblir relativt stabila. Tillsammans med bevis på en minskande röntgenfördröjning, de drog slutsatsen att det måste vara corona som höll på att förändras, och krymper till följd av det svarta hålets utbrott.

"Vi ser att koronan börjar när den är uppsvälld, 100-kilometers blob inuti den inre ackretionsskivan, krymper sedan ner till ungefär 10 kilometer, över en månad, ", säger Steiner. "Detta är det första entydiga fallet av en korona som krymper medan skivan är stabil."

"NICER har tillåtit oss att mäta ljusekon närmare ett svart hål med stjärnmassa än någonsin tidigare, ", tillägger Kara. "Tidigare sågs dessa ljusekon från den inre ackretionsskivan endast i supermassiva svarta hål, som är miljoner till miljarder solmassor och utvecklas över miljoner år. Stjärniga svarta hål som J1820 har mycket lägre massa och utvecklas mycket snabbare, så vi kan se förändringar utspela sig på mänskliga tidsskalor."

Även om det är oklart vad som exakt får corona att dra ihop sig, Steiner spekulerar i att molnet av högenergielektroner pressas av det överväldigande trycket som genereras av ansamlingsskivans infallande lavin av gas.

Fynden ger nya insikter om en viktig fas av ett svart håls utbrott, känd som en övergång från ett hårt till ett mjukt tillstånd. Forskare har vetat att någon gång tidigt i ett utbrott, ett svart hål skiftar från en "hård" fas som domineras av koronans energi, till en "mjuk" fas som styrs mer av accretionskivans utsläpp.

"Denna övergång markerar en grundläggande förändring i ett svart håls tillväxtsätt, " säger Steiner. "Men vi vet inte exakt vad som händer. Hur övergår ett svart hål från att domineras av en korona till sin skiva? Flyttar skivan in och tar över, eller förändras och försvinner koronan på något sätt? Det här är något som människor har försökt reda ut i årtionden. Och nu är detta ett definitivt stycke arbete när det gäller vad som händer i denna övergångsfas, och att det som förändras är corona."