Material som faller in i ett svart hål kastar röntgenstrålar ut i rymden – och nu har astronomer använt ekon av denna strålning för att kartlägga det dynamiska beteendet och omgivningen av ett svart hål i sig.

De flesta svarta hål är för små på himlen för att vi ska kunna bestämma deras omedelbara miljö, men vi kan fortfarande utforska dessa mystiska föremål genom att se hur materia beter sig när den närmar sig, och faller i, dem.

När materialet går i spiral mot ett svart hål, den värms upp och avger röntgenstrålar som, i tur och ordning, eko och eko när de interagerar med närliggande gas. Dessa områden i rymden är mycket förvrängda och skeva på grund av det svarta hålets extrema natur och förkrossande starka gravitation.

Nu, forskare har använt Europeiska rymdorganisationens XMM-Newton röntgenobservatorium för att spåra dessa ljusekon och kartlägga omgivningen av det svarta hålet i kärnan av en aktiv galax. Deras resultat redovisas i tidskriften Natur astronomi .

Namngiven IRAS 13224–3809, det svarta hålets värdgalax är en av de mest varierande röntgenkällorna på himlen, genomgår mycket stora och snabba fluktuationer i ljusstyrka på en faktor 50 på bara timmar.

"Alla är bekanta med hur ekot av deras röst låter annorlunda när de talar i ett klassrum jämfört med en katedral - detta beror helt enkelt på geometrin och materialen i rummen, vilket gör att ljud beter sig och studsar runt på ett annat sätt, " sa Dr William Alston från Cambridges Institute of Astronomy, huvudförfattare till den nya studien.

"På ett liknande sätt, vi kan se hur ekon av röntgenstrålning fortplantar sig i närheten av ett svart hål för att kartlägga geometrin i en region och tillståndet för en materia innan den försvinner in i singulariteten. Det är lite som kosmisk ekolokalisering."

Eftersom dynamiken hos infallande gas är starkt kopplad till egenskaperna hos det förtärande svarta hålet, Alston och hans kollegor kunde också bestämma massan och spinn av galaxens centrala svarta hål genom att observera materiens egenskaper när den spiralerade inåt.

Materialet bildar en skiva när det faller ner i det svarta hålet. Ovanför denna skiva ligger ett område med heta elektroner - med temperaturer på runt en miljard grader - som kallas korona. Medan forskarna förväntade sig att se de ekon som de använde för att kartlägga regionens geometri, de upptäckte också något oväntat:själva koronan ändrades snabbt i storlek, under några dagar.

"När koronans storlek ändras, så ekar ljuset - lite som om katedralens tak rör sig upp och ner, ändra hur ekot av din röst låter, sa Alston.

"Genom att spåra ljusekon, vi kunde spåra denna föränderliga corona, och – vad som är ännu mer spännande – få mycket bättre värden för det svarta hålets massa och spin än vi kunde ha avgjort om koronan inte ändrade storlek. Vi vet att det svarta hålets massa inte kan fluktuera, så alla förändringar i ekot måste bero på den gasformiga miljön."

Studien använde den längsta observationen av ett växande svart hål som någonsin tagits med XMM-Newton, samlade över 16 rymdfarkoster 2011 och 2016 och totalt 2 miljoner sekunder - drygt 23 dagar. Detta, kombinerat med den starka och kortsiktiga variationen hos själva det svarta hålet, gjorde det möjligt för Alston och medarbetare att modellera ekon heltäckande över dagslånga tidsskalor.

Regionen som utforskas i denna studie är inte tillgänglig för observatorier som Event Horizon Telescope, som lyckades ta den första bilden någonsin av gas i omedelbar närhet av ett svart hål – det som sitter i mitten av den närliggande massiva galaxen M87. Resultatet, baserat på observationer utförda med radioteleskop över hela världen 2017 och publicerade förra året, blev en global sensation.

"Bilden av Event Horizon Telescope erhölls med en metod som kallas interferometri - en teknik som bara kan fungera på de få närmaste supermassiva svarta hålen till jorden, som de i M87 och i vår hemgalax, Vintergatan, eftersom deras skenbara storlek på himlen är tillräckligt stor för att metoden ska fungera, " sa medförfattaren Michael Parker, som är ESA-forskare vid European Space Astronomy Centre nära Madrid.

"Däremot vårt tillvägagångssätt kan undersöka de närmaste hundra supermassiva svarta hålen som aktivt konsumerar materia – och detta antal kommer att öka avsevärt med uppskjutningen av ESA:s Athena-satellit."

Att karakterisera miljöerna som omger svarta hål är ett kärnvetenskapligt mål för ESA:s Athena-uppdrag, som är planerad att lanseras i början av 2030-talet och kommer att avslöja hemligheterna i det heta och energiska universum.

Mätning av massan, Spinn- och ansamlingshastigheter för ett stort urval av svarta hål är nyckeln till att förstå gravitationen i hela kosmos. Dessutom, eftersom supermassiva svarta hål är starkt kopplade till deras värdgalax egenskaper, dessa studier är också nyckeln till att främja vår kunskap om hur galaxer bildas och utvecklas över tiden.

"Den stora datamängden som tillhandahålls av XMM-Newton var avgörande för detta resultat, sa Norbert Schartel, ESA XMM-Newton Project Scientist. "Efterklangskartläggning är en teknik som lovar att avslöja mycket om både svarta hål och det bredare universum under kommande år. Jag hoppas att XMM-Newton kommer att utföra liknande observationskampanjer för flera aktiva galaxer under de kommande åren, så att metoden är helt etablerad när Athena lanseras."