Een team van astronomen, onder wie Phil Uttley van de Universiteit van Amsterdam, heeft licht-echo’s waargenomen van de omgeving van een stellair zwart gat van 10 zonsmassa’s dat midden in een uitbarsting zat. Ze gebruikten hiervoor NASA’s röntgentelescoop NICER die zich sinds medio 2017 aan boord van het Internationale Ruimtestation ISS bevindt. Terwijl het zwarte gat enorme hoeveelheden materiaal van zijn begeleider opslokte slonk de corona (de halo van hoogenergetische elektronen rond een zwart gat) in ruim een maand tijd van 160 naar 16 kilometer.
Eerste auteur Erin Kara (Universiteit van Maryland en NASA’s Goddard Space Flight Center) maakte dit resultaat bekend op een persconferentie tijdens de winterbijeenkomst van de American Astronomical Society (AAS) in Seattle, VS. Het verschijnt vandaag in Nature.
De Neutron star Interior Composition Explorer (NICER) ving het röntgenlicht op van het onlangs ontdekte zwarte gat MAXI J1820+070 (J1820 in het kort) terwijl het materiaal van een begeleidende ster aantrok. Golven van röntgenstraling creëerden licht-echo’s van het wervelende gas nabij het zwarte gat en onthulde wijzigingen in grootte en vorm van de omgeving.
“Met NICER hebben we licht-echo’s opgevangen die zich dichter bij een stellair zwart gat bevinden dan ooit,” zegt Kara. “Voorheen werden licht-echo’s van het binnenste deel van de accretieschijf alleen waargenomen bij superzware zwarte gaten, die miljoenen tot miljarden zonsmassa’s groot zijn en veranderingen langzaam ondergaan. Stellaire zwarte gaten zoals J1820 hebben veel minder massa en evolueren veel sneller, zodat we de veranderingen op menselijke tijdschalen kunnen zien.”
J1820 bevindt zich op een afstand van zo’n 10.000 lichtjaar in de richting van het sterrenbeeld Leeuw. De begeleidende ster is geïdentificeerd in data van ESA’s Gaia-missie, waardoor de onderzoekers de afstand konden schatten. Het zwarte gat werd ontdekt op 11 maart 2018, toen een uitbarsting werd waargenomen met het Japanse MAXI-instrument, ook aan boord van het ISS. In enkele dagen tijd werd J1820 een van de helderste objecten aan de röntgenhemel. NICER werd snel gericht op deze bron en volgde het zwakker worden van de uitbarsting.
Een zwart gat kan gas aanzuigen van een nabije begeleider dat in een ring van materiaal terechtkomt, een zogeheten accretieschijf. Zwaartekracht en magnetische krachten verhitten de schijf tot miljoenen graden, heet genoeg om röntgenstraling te produceren in de binnenste delen van de schijf, vlak bij het zwarte gat. Uitbarstingen vinden plaats wanneer als gevolg van instabiliteit in de schijf een vloedgolf aan gas als een soort lawine naar binnen schuift. Waardoor de schijf instabiel wordt, is onduidelijk.
Boven de schijf bevindt zich de corona, een gebied met subatomaire deeltjes van 1 miljard graden dat gloeit in röntgenstraling met hogere energie. Ook over de herkomst en evolutie van de corona bestaan nog veel onduidelijkheden. Sommige theorieën suggereren dat deze structuur een vroege vorm is van de straalstromen met hogesnelheidsdeeltjes die deze systemen vaak de ruimte inblazen. De nieuwe resultaten vormen het eerste bewijs dat de corona krimpt wanneer een zwart gat zich voedt. Ze suggereren ook dat het de corona is die de evolutie van een zwart gat aandrijft tijdens de meest extreme fase van een uitbarsting.
De methode die de onderzoekers hebben gebruikt heeft aangetoond dat de binnenste rand van de accretieschijf zeer dicht bij de gebeurtenishorizon van het zwarte gat ligt. Dat is het gebied waarachter niets meer kan ontsnappen aan het zwarte gat. Eerdere waarnemingen van röntgen-echo’s van stellaire zwarte gaten lieten zien dat het binnenste deel van de schijf vrij ver van de gebeurtenishorizon af ligt, maar het stellaire zwarte gat J1820 gedroeg zich meer als zijn superzware neefjes.
Het is voor astronomen belangrijk om te weten hoe het binnenste deel van de schijf en de corona erboven veranderen in grootte en vorm wanneer het zwarte gat materiaal van zijn begeleider aantrekt. Coauteur Phil Uttley (Universiteit van Amsterdam): “Als we dit in kaart kunnen brengen voor stellaire zwarte gaten over een periode van weken, kunnen we dit gebruiken voor ons begrip van de manier waarop superzware zwarte gaten over miljoenen jaren evolueren, en de sterrenstelsels waarin zij zich bevinden, beïnvloeden. We hebben in NICER’s eerst jaar al vier vergelijkbare gebeurtenissen gezien. Het zijn spannende tijden voor de röntgensterrenkunde.”
NICER-instrument op ISS ziet zwart gat evolueren tijdens een uitbarsting
