13 augustus 2022

Rossi X-Ray röntgendata ‘verraadt’ aanwezigheid stellaire zwarte gaten

Een internationaal astrofysisch team afkomstig van het Indiase Tata Institute of Fundamental Research i.s.m. het Duitse Max Planck Instituut en het Russische ruimtevaartinstituut  te Moskou, IKI, heeft een methode bedacht om stellaire zwarte gaten goed te kunnen onderscheiden van neutronensterren. De onderzoekers gebruikten hiervoor gearchiveerde röntgendata van de astronomiesatelliet Rossi X-Ray Timing Explorer*. Al met al een lastige opgave, zwarte gaten en neutronensterren vertonen veel overeenkomsten, beide zijn extreem compacte objecten, hun aantrekkingskracht is enorm en in massa en grootte zijn ze enigszins vergelijkbaar. Een zwart gat heeft echter, i.t.t. neutronensterren, geen hard oppervlak, maar is wel in het bezit van een onzichtbare ‘waarnemingshorizon’, na passage van deze horizon kan zelfs licht niet meer ontsnappen. En toch, aan de hand van de data van de Rossi-satelliet identificeerden deze astrofysici het effect van het ontbreken van zo een hard oppervlak op de waargenomen röntgen-emissiedata, die zwarte gaten onderscheidt van neutronensterren en zo vonden zij een zeer sterk signatuur van stellaire zwarte gaten.

Artistieke impressie toont een binair systeem met daarin een stellair zwart gat, IGR J17091. De sterke zwaartekracht, links, trekt gas weg van een begeleidende ster aan de rechterkant. Credits; NASA

Stellaire zwarte gaten en kromming ruimtetijd
Sluitend bewijs van het bestaan van zwarte gaten gold lange tijd als de astronomische ‘heilige graal’, slechts eenmaal in de historie werd een supermassief zwart gat (SMBH) in beeld gebracht met behulp van de omringende straling in radiogolflengten, dit zwarte gat zetelt in het centrum van Messier 87 en is 6,5 zonsmassa’s groot. Een stellair zwart gat staat nog niet op de ‘foto’ maar wel kunnen wetenschappers ze op een andere manier detecteren, namelijk m.b.v. zwaartekrachtgolven. De zwarte gaten zijn dus geclassificeerd, in stellaire, supermassieve e.v. Eerstgenoemde zwarte gaten worden gevormd door gravitationele ineenstorting van een zware ster (25+ zonsmassa‘s), en deze ster transformeert aan het eind van zijn levensduur tot een supernova, wat resteert is een stellair zwart gat, in grootte variërend van enkele tot tientallen zonsmassa’s. Wanneer deze stellaire zwarte gaten met elkaar versmelten, zouden ze kunnen worden afgeleid uit zwaartekrachtgolven; een fluctuatie in de kromming van de ruimtetijd, die zich van de bron af naar buiten voortplant als een golf. Bijzonder is dat juist deze kleinere, stellaire zwarte gaten de ruimtetijd extreem veel meer vervormen dan hun grote broers, de supermassieve zwarte gaten, in de orde van tienduizend biljoen keer meer. Zie ook Ethan Siegel’s blog, hij schrijft en ik citeer: “But not all black holes are created equal. Paradoxically, it’s the smallest, lowest-mass black holes that create the most severely curved space of all. Here’s the surprising science behind why.”.**

Duidelijk is te zien hoe het zwarte gat (rode symbolen) en de neutronenster (blauwe symbolen) praktisch compleet van elkaar gescheiden zijn, waardoor de zwarte gaten onmiskenbaar kunnen worden geïdentificeerd. Credits; Tata Fundamental Research Institute, Srimanta Banerjee, Sudip Bhattacharyya, Marat Gilfanov

Zwaartekrachtgolven, slechts een fractie van een seconde durend, kunnen het defintieve bewijs geven van het bestaan van een stabiel, stellair zwart gat, welke hoofdzakelijk oplichten in röntgenstraling doordat ze materiaal van begeleidende sterren verslinden. Een neutronenster, het meest compacte, bekende object in het heelal met een hard oppervlak, kan ook in röntgenstraling opgloeien door op dezelfde manier materie van omgevende sterren te verzamelen (dit proces wordt gekenmerkt door een extreem hoge efficiëntie van het omzetten van de restmassa-energie in straling, om en nabij de 20%). Om het bestaan van stellaire zwarte gaten te bewijzen, moet men ze onderscheiden van dergelijke neutronensterren, en dit is gelukt. Van zwarte gaten identificeerden deze astrofysici het effect van het ontbreken van zo een hard oppervlak op de waargenomen röntgendata, en vond men een zeer sterke aanwijzing van accumulerende stellaire zwarte gaten. De grafiek toont gemeten waarden van twee broneigenschappen – elektronentemperatuur en comptonisatieparameter – van vele röntgenobservaties van zo’n twee dozijn zwarte gaten en neutronensterren. Duidelijk is te zien in de grafiek hierboven, hoe het zwarte gat (rode symbolen) en de neutronenster (blauwe symbolen) praktisch compleet van elkaar gescheiden zijn, waardoor de zwarte gaten onmiskenbaar kunnen worden geïdentificeerd. Het team, bestaande uit Srimanta Banerjee, en de professoren Sudip Bhattacharyya, Marat Gilfanov en Rashid Sunyae, publiceerde het wetenschappelijk artikel in september j.l. in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.***

*Rossi X-Ray Timing Explorer (RXTE, gelanceerd in 1995), was een satelliet die de tijdvariatie van astronomische röntgenbronnen observeerde, genoemd naar natuurkundige Bruno Rossi. De RXTE observeerde röntgenstralen van zwarte gaten, neutronensterren, röntgenpulsars en röntgenuitbarstingen.
** https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2020/05/12/the-unexpected-reason-why-the-smallest-black-holes-bend-space-the-most/

***https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/498/4/5353/5911586?redirectedFrom=fulltext

Speak Your Mind

*

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: