Ett internationellt team av astrofysiker från Southampton, Oxford och Sydafrika har upptäckt en mycket het, tät utströmmande vind nära ett svart hål minst 25, 000 ljusår från jorden.

Ledande forskare professor Phil Charles från University of Southampton förklarade att gasen (joniserat helium och väte) släpptes ut i skurar som upprepades var 8:e minut, första gången detta beteende har setts runt ett svart hål. Resultaten har publicerats i tidskriften Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .

Objektet som professor Charles team studerade var Swift J1357.2-0933 som först upptäcktes som en röntgentransient – ​​ett system som uppvisar våldsamma utbrott – 2011. Dessa transienter består alla av en stjärna med låg massa, liknar vår sol och ett kompakt föremål, som kan vara en vit dvärg, neutronstjärna eller svart hål. I detta fall, Swift J1357.2-0933 har ett svart hål kompakt föremål som är minst 6 gånger massan av vår sol.

Material från den normala stjärnan dras av det kompakta föremålet till en skiva mellan de två. Massiva utbrott uppstår när materialet i skivan blir varmt och instabilt och det frigör mängder av energi.

Professor Charles sa:"Vad som var särskilt ovanligt med det här systemet var att markbaserade teleskop hade avslöjat att dess optiska ljusstyrka visade periodiska nedgångar i dess uteffekt och att perioden för dessa nedgångar långsamt ändrades från cirka två minuter till cirka 10 minuter som utbrottet. Ett sådant konstigt beteende har aldrig setts i något annat föremål.

"Orsaken till dessa anmärkningsvärda, snabba dips har varit ett hett ämne i vetenskaplig debatt ända sedan upptäckten. Så det var med stor spänning som astronomer hälsade det andra utbrottet av detta objekt i mitten av 2017, ger en möjlighet att studera detta konstiga beteende mer i detalj."

Professor Charles och hans team insåg att nyckeln till att få svaret var att få optiska spektra ett antal gånger under varje doppcykel, i huvudsak studera hur deras färg förändrades med tiden. Men med föremålet omkring 10, 000 gånger svagare än den svagaste stjärnan som är synlig för blotta ögat och doppperioden på endast cirka 8 minuter, ett mycket stort teleskop måste användas.

Så, de använde SALT, det sydafrikanska stora teleskopet, det största optiska teleskopet på södra halvklotet.

University of Southampton är en av de grundande brittiska partnerna inom SALT, och tillsammans med sina sydafrikanska medarbetare, är en del av ett multi-partner Large Science Program för att studera transienter av alla slag. SALT har inte bara den nödvändiga enorma uppsamlingsytan (den har en spegel med en diameter på 10 m), men det drivs på ett 100 procent köschemalagt sätt av inhemska personalastronomer, vilket innebär att det lätt kan reagera på oförutsägbara övergående händelser. Detta var perfekt för Swift J1357.2-0933, och SALT erhöll mer än en timmes spektra, med en tagen var 100:e sekund.

"Våra aktuella observationer av detta fascinerande system visar hur den snabba reaktionen av SALT, genom sin flexibla köschemalagda drift, gör det till en idealisk anläggning för uppföljningsstudier av transienta föremål, " sa Dr. David Buckley, huvudutredaren för SALT-transientprogrammet, baserad på South African Astronomical Observatory, som också tillade, "Med den omedelbara tillgängligheten av ett antal olika instrument på SALT, vi kan också dynamiskt modifiera våra observationsplaner för att passa de vetenskapliga målen och reagera på resultat, nästan i realtid"

Professor Charles tillade:"Resultaten från dessa spektra var fantastiska. De visade joniserat helium i absorption, som aldrig tidigare setts i sådana system. Detta indikerade att det måste vara både tätt och varmt - runt 40, 000 grader. Mer anmärkningsvärt, de spektrala egenskaperna var blåskiftade (på grund av Dopplereffekten), vilket tyder på att de blåste mot oss i cirka 600 km/s. Men det som verkligen förvånade oss var upptäckten att dessa spektrala egenskaper var synliga endast under de optiska dopparna i ljuskurvan. Vi har tolkat denna ganska unika egenskap som att den beror på en varp eller krusning i den inre ackretionsskivan som kretsar runt det svarta hålet på doppningstidsskalan. Denna varp är mycket nära det svarta hålet med bara en tiondel av skivans radie."

Vad driver den här saken bort från det svarta hålet? Det är nästan säkert strålningstrycket från de intensiva röntgenstrålar som genereras nära det svarta hålet. Men det måste vara mycket ljusare än vi direkt ser, antyder att materialet som faller på det svarta hålet skymmer det från direkt syn, som moln som skymmer solen. Detta beror på att vi råkar titta på det binära systemet från en utsiktspunkt där skivan visas kant-på, som visas i den schematiska illustrationen, och roterande klumpar i denna skiva skymmer vår syn på det centrala svarta hålet.

Intressant nog finns det inga förmörkelser av följeslagsstjärnan som ses i vare sig den optiska eller röntgenstrålningen, vilket kan förväntas. Detta förklaras av att det är väldigt litet, och ständigt i skuggan av skivan. Denna slutsats kommer från en detaljerad teoretisk modellering av vindar som blåser av ackretionsskivor som utfördes av en i teamet, James Matthews vid University of Oxford, med hjälp av superdatorberäkningar.

Detta objekt har anmärkningsvärda egenskaper bland en redan intressant grupp objekt som har mycket att lära oss om slutpunkterna för stjärnutveckling och bildandet av kompakta objekt. Vi känner redan till ett par dussin binära system för svarta hål i vår galax, som alla har massor i intervallet 5-15 solmassor, och det enda svarta hålet i vårt galaktiska centrum är cirka 4 miljoner solmassor. De växer alla genom anhopningen av materia som vi har sett så spektakulärt i detta objekt. Vi vet också att en betydande del av det anhopande materialet blåses bort. När det händer från de supermassiva svarta hålen i galaxernas centrum, dessa kraftfulla vindar och jetstrålar kan ha en enorm inverkan på resten av galaxen.

Professor Charles avslutade:"Dessa kortperiodiga binära versioner är ett perfekt sätt att studera denna fysik i aktion."