I hjärtat av en avlägsen galax verkar ett supermassivt svart hål ha haft ett fall av hicka. Astronomer från MIT, Italien, Tjeckien och andra håll har funnit att ett tidigare tyst svart hål, som sitter i centrum av en galax cirka 800 miljoner ljusår bort, plötsligt har fått ett utbrott och avger gasplymer var 8,5:e dag innan det sätter sig. tillbaka till sitt normala, tysta tillstånd.
Den periodiska hickan är ett nytt beteende som inte har observerats i svarta hål förrän nu. Forskarna tror att den mest troliga förklaringen till utbrotten härrör från ett andra, mindre svart hål som sveper runt det centrala, supermassiva svarta hålet och slänger ut material från det större svarta hålets gasskiva var 8,5:e dag.
Teamets resultat, publicerade i tidskriften Science Advances , utmana den konventionella bilden av svarta håls ackretionsskivor, som forskare hade antagit är relativt enhetliga skivor av gas som roterar runt ett centralt svart hål. De nya resultaten tyder på att ackretionsskivorna kan vara mer varierande i sitt innehåll, möjligen innehållande andra svarta hål och till och med hela stjärnor.
"Vi trodde att vi visste mycket om svarta hål, men det här säger oss att det finns många fler saker de kan göra", säger studieförfattaren Dheeraj "DJ" Pasham, en forskare vid MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Vi tror att det kommer att finnas många fler sådana här system, och vi behöver bara ta mer data för att hitta dem."
Studiens MIT-medförfattare inkluderar postdoc Peter Kosec, doktorand Megan Masterson, docent Erin Kara, huvudforskaren Ronald Remillard och före detta forskaren Michael Fausnaugh, tillsammans med medarbetare från flera institutioner, inklusive Tor Vergata University of Rome, Tjeckiska vetenskapsakademins astronomiska institut och Masaryks universitet i Tjeckien.
Teamets resultat växte fram ur en automatiserad detektering av ASAS-SN (All Sky Automated Survey for SuperNovae), ett nätverk av 20 robotteleskop belägna på olika platser över norra och södra halvklotet. Teleskopen övervakar automatiskt hela himlen en gång om dagen efter tecken på supernovor och andra övergående fenomen.
I december 2020 upptäckte undersökningen en ljusskuren i en galax cirka 800 miljoner ljusår bort. Just den delen av himlen hade varit relativt tyst och mörk tills teleskopen upptäcktes, när galaxen plötsligt ljusnade med en faktor 1 000.
Pasham, som råkade se upptäckten som rapporterades i en gemenskapsvarning, valde att fokusera på blossen med NASA:s NICER (neutronstjärnan Interior Composition Explorer), ett röntgenteleskop ombord på den internationella rymdstationen som kontinuerligt övervakar himlen för X strålskurar som kan signalera aktivitet från neutronstjärnor, svarta hål och andra extrema gravitationsfenomen. Timingen var slumpmässig, eftersom det började närma sig slutet av Pashams årslånga period under vilken han hade tillstånd att peka eller "trigga" teleskopet.
"Det var antingen använda den eller tappa den, och det visade sig vara min lyckligaste paus", säger han.
Han tränade SNYGGARE att observera den avlägsna galaxen när den fortsatte att blossa. Utbrottet varade i cirka fyra månader innan det bröt ut. Under den tiden tog NICER mätningar av galaxens röntgenstrålning på en daglig basis med hög kadens. När Pasham tittade noga på uppgifterna märkte han ett märkligt mönster inom fyra månaders bloss:subtila nedgångar, i ett mycket smalt band av röntgenstrålar, som tycktes dyka upp igen var 8,5:e dag.
Det verkade som att galaxens energiutbrott med jämna mellanrum sjönk var 8,5:e dag. Signalen liknar vad astronomer ser när en planet i omloppsbana korsar framför sin värdstjärna och blockerar stjärnans ljus kortvarigt. Men ingen stjärna skulle kunna blockera en flamma från en hel galax.
"Jag kliade mig i huvudet om vad det här betyder eftersom det här mönstret inte passar in på något som vi vet om dessa system", minns Pasham.
När han letade efter en förklaring till de periodiska nedgångarna, kom Pasham över en ny artikel av teoretiska fysiker i Tjeckien. Teoretikerna hade separat räknat ut att det i teorin skulle vara möjligt för en galax centrala supermassiva svarta hål att vara värd för ett andra, mycket mindre svart hål. Det mindre svarta hålet kan kretsa i en vinkel från dess större följeslagares ackretionsskiva.
Som teoretikerna föreslog, skulle sekundären periodiskt slå igenom det primära svarta hålets skiva när den kretsar. I processen skulle det släppa ut en plym av gas, som ett bi som flyger genom ett moln av pollen. Kraftfulla magnetfält, norr och söder om det svarta hålet, kunde sedan slunga plymen upp och ut ur skivan.
Varje gång det mindre svarta hålet slår igenom skivan, skulle det skjuta ut ytterligare en plym, i ett regelbundet, periodiskt mönster. Om den plymen råkade peka i riktning mot ett observationsteleskop, kan den observera plymen som ett dopp i galaxens totala energi, som kortvarigt blockerar skivans ljus då och då.
"Jag blev väldigt exalterad av den här teorin och jag mailade dem omedelbart för att säga:'Jag tror att vi observerar exakt vad din teori förutspådde'", säger Pasham.
Han och de tjeckiska forskarna gick ihop för att testa idén, med simuleringar som inkluderade NICER:s observationer av det ursprungliga utbrottet och de vanliga 8,5-dagarsdopparna. Det de hittade stöder teorin:Det observerade utbrottet var sannolikt en signal om ett andra, mindre svart hål, som kretsade runt ett centralt supermassivt svart hål och periodvis punkterade dess skiva.
Specifikt fann teamet att galaxen var relativt tyst före upptäckten i december 2020. Teamet uppskattar att galaxens centrala supermassiva svarta hål är så massivt som 50 miljoner solar. Före utbrottet kan det svarta hålet ha haft en svag, diffus ansamlingsskiva som roterar runt sig, eftersom ett andra, mindre svart hål, som mäter 100 till 10 000 solmassor, kretsade i relativt dunkel.
Forskarna misstänker att, i december 2020, svängde ett tredje objekt – troligen en närliggande stjärna – för nära systemet och strimlades i bitar av det supermassiva svarta hålets enorma gravitation – en händelse som astronomer känner till som en "tidvattenavbrottshändelse".
Det plötsliga inflödet av stjärnmaterial lyste tillfälligt upp det svarta hålets ansamlingsskiva när stjärnans skräp virvlade in i det svarta hålet. Under fyra månader festade det svarta hålet på stjärnskräpet när det andra svarta hålet fortsatte att kretsa. När den slog igenom skivan matade den ut en mycket större plym än den normalt skulle göra, vilket råkade matas ut rakt ut mot NICER:s räckvidd.
Teamet genomförde många simuleringar för att testa de periodiska dopparna. Den mest troliga förklaringen, drar de slutsatsen, är en ny typ av David-och-Goliat-system – ett litet, mellanstort svart hål, som drar runt ett supermassivt svart hål.
"Det här är ett annat odjur," säger Pasham. "Det passar ingenting som vi vet om dessa system. Vi ser bevis på att föremål går in i och genom skivan, i olika vinklar, vilket utmanar den traditionella bilden av en enkel gasformig skiva runt svarta hål. Vi tror att det finns en enorm population av dessa system där ute."
"Det här är ett lysande exempel på hur man använder skräpet från en störd stjärna för att belysa det inre av en galaktisk kärna som annars skulle förbli mörk. Det är som att använda fluorescerande färgämne för att hitta en läcka i ett rör", säger Richard Saxton. en röntgenastronom från European Space Astronomy Center (ESAC) i Madrid, Spanien, som inte var inblandad i studien.
"Detta resultat visar att mycket nära supermassiva svarta håls binärer kan vara vanliga i galaktiska kärnor, vilket är en mycket spännande utveckling för framtida gravitationsvågsdetektorer."
Mer information: Dheeraj Pasham, ett fall för ett binärt svarthålssystem som avslöjats via kvasi-periodiska utflöden, vetenskapliga framsteg (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj8898. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj8898. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2402.10140
Journalinformation: Vetenskapens framsteg , arXiv
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
