Een team Groningse astronomen heeft een zeer sterke en brede ijzer-emissielijn gevonden in het röntgenspectrum van XTE J1652-453, een recent ontdekt röntgendubbelstersysteem dat zeer waarschijnlijk een zwart gat bevat. Het artikel over de ontdekking verschijnt binnenkort in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
De ontdekking heeft tot enige opschudding geleid binnen de sterrenkundige wereld. Dit is namelijk de eerste keer dat zo'n sterke lijn is waargenomen bij een röntgenbron in ons eigen melkwegstelsel, en niet iedereen is het erover eens dat de metingen juist kunnen zijn. Maar omdat deze bron gelijktijdig met twee röntgen-telescopen (XMM-Newton en Rossi X-ray Timing Explorer) is waargenomen, en de beide instrumenten hetzelfde resultaat laten zien, zijn de onderzoekers ervan overtuigd dat de metingen aan het röntgenspectrum zeer solide en betrouwbaar zijn. Bovendien is, naast de sterkte van de emissielijn, de vorm van de waargenomen lijn een belangrijke bevinding, omdat deze karakteristiek blijkt te zijn voor een roterend zwart gat. “Het vaststellen van de rotatie van een object dat zelf niet zichtbaar is, is vandaag de dag nog steeds een grote uitdaging voor sterrenkundigen”, zegt eerste auteur Beike Hiemstra, promovenda aan het Kapteyn Instituut van de RuG.
Zwarte gaten zijn de overblijfselen van zeer zware sterren die aan het eind van hun leven onder hun eigen zwaartekracht in elkaar klappen. Op een bepaalde afstand kan zelfs licht niet ontsnappen uit een zwart gat, als gevolg van het zwaartekrachtsveld waarin de compacte, enorme massa van het zwarte gat zich bevindt. Een zwart gat wordt slechts gekenmerkt door zijn massa en zijn rotatiesnelheid. De enige manier om deze te bepalen is de bestudering van het gedrag van de materie in de nabijheid van het zwarte gat. In het geval van röntgendubbelstersystemen, waarin een gewone ster en een zwart gat om elkaar heen draaien, wordt het gedrag van het gas bestudeerd dat van de begeleidende ster naar het zwarte gat toe spiraliseert. Dit gas vormt daarbij een zogenoemde accretieschijf die om het zwarte gat heen draait en daarbij zo heet wordt dat het röntgenstraling uitzendt.
Gebruikmakend van röntgentelescopen en door middel van spectroscopie wordt de straling afkomstig van de accretieschijf en het gas in de nabijheid van het zwarte gat geanalyseerd. Hierbij wordt gekeken naar de karakteristieke vorm van het spectrum, dat is samengesteld uit meerdere componenten die het 'continuum' vormen met daarin kenmerkende absorptie- en/of emissielijnen. Een veelbelovende emissielijn is die van het element ijzer, omdat de vorm van de lijn wordt toegeschreven aan relativistische effecten die sterker zijn naarmate het zwarte gat sneller ronddraait.
Een roterend zwart gat heeft als effect dat het de nabije omgeving (ruimte-tijd) vervormt doordat die wordt meegesleept in de rotatie, waarbij een snellere rotatie voor een grotere vervorming zorgt. Dit is vergelijkbaar met een draaikolk in water die dieper en nauwer wordt naarmate hij sneller draait. Bij een grotere vervorming van de ruimte-tijd kan de accretieschijf het zwarte gat dichter naderen dan wannneer het zwarte gat niet roteert. Door de grootte van de binnenste cirkelstraal van de accretieschijf te meten, kan worden bepaald hoe snel het zwarte gat om zijn as rondtolt. De ijzer-emissielijn is hiervoor het uitgelezen gereedschap.
De ijzer-emissielijn wordt geproduceerd in de hete atmosfeer die zich rondom het zwarte gat en de accretieschijf bevindt en wordt weerkaatst op het oppervlak van de accretieschijf. Door onder andere de rotatie van de accretieschijf en de afmeting van de binnenste straal krijgt de emissielijn zijn karakeristieke vorm.Voor het zwarte gat in XTE J1652-453, waarvan de de massa nog onbekend is maar de bovengrens op 30 zonsmassa's is geschat, blijkt het profiel van de ijzerlijn te duiden op een binnenste radius van maximaal 177 km, wat betekent dat hier sprake is van een gematigd roterend zwart gat.
De sterkte van de emissielijn in XTE J1652-453 blijkt zelfs na een diepgravende analyse twee tot drie keer hoger te zijn dan alle eerdere in röntgendubbelsterren waargenomen sterke ijzer-emissielijnen. Er zijn wetenschappers die denken dat de sterkte van de lijn in XTE J1652-453 een gevolg is van een niet volledig correct modelleren van het continuum-spectrum. De onderzoekers van het Kapteyn Instituut in Groningen, in samenwerking met een aantal instituten in Europa, hebben verschillende modellen getest die uiteindelijk alle tot hetzelfde resultaat leidden.
Bovendien blijkt uit het spectrum dat door de hoge temperatuur van de accretieschijf (10 miljoen K) en het nog veel hetere gas in de atmosfeer, het ijzer zeer sterk geïoniseerd is. Deze hoge graad van ionisatie zorgt ervoor dat bepaalde reabsorptieprocessen sterk zijn verminderd (of zelfs niet meer plaatsvinden), waardoor de emissie-processen domineren. “Dit kan verklaren waardoor de waargenomen emissielijn zo sterk is”, aldus Hiemstra.
"Om dit resultaat te bereiken hebben wij de huidige instrumenten op de proef gesteld”, zegt Hiemstra’s begeleider Mariano Mendez. “Met toekomstige ruimte-missies zullen wij de rotatie van tientallen zwarte gaten kunnen meten, en hopelijk kunnen we dan te weten komen of zwarte gaten snel roterend worden geboren, of dat ze in de loop van hun leven sneller gaan tollen.”
Sterke signalen uit de draaikolk rond een nieuw ontdekt zwart gat
