「光のエコー」がブラックホールの摂食習慣を明らかにした方法

天文学者は、エコーロケーションに似た方法を使用して、コウモリから手掛かりを取り、ブラックホール周辺の摂食環境をマップします。

2018年3月に、恒星質量のブラックホールが、ほとんど見えない状態から、X線の空で最も明るい光源に移動しました。 ブラックホールに供給されているガスの形状が変化すると、突然の活動の爆発が一連の「光のエコー」を引き起こしました。

MAXI J1820 + 070として知られるブラックホールシステムのアーティストのコンセプトは、2018年3月11日にX線の空で最も明るい光源になりました。
オーロレシモンネットと自然

エリン・カラ(メリーランド大学およびNASAゴダード大学)および同僚は、ブラックホールの成長の重要な側面を解明するユニークな観測でこれらの変化を捉えたと1月10日の自然で報告しています。 カラはまた、先週アメリカ天文学会の会議で結果を発表しました。

ブラックホールがオンになったとき...

ブラックホール自体はほとんど見えませんが、それらの周りのものはほとんどないため、天文学者はブラックホールを研究できます。 恒星質量のブラックホールが伴星に食い込むと、ガスが内側に渦を巻き、100万度まで加熱され、X線を放射します。 この降着円盤の上で、荷電粒子はさらに熱い雲の中を飛び回り、はるかに高いエネルギーでX線を放出する10億度のコロナを含んでいます。

このディスクとコロナの写真は完全に聞こえますが、そうではありません。 実際、天文学者はコロナが実際にどのように見えるのか全く知りません。 その基本的な形状でさえ議論中です。 同様に、降着円盤は(驚いた!)円盤の形をしていると考えられていますが、円盤のどこまで到達するかは不明です。

問題を複雑にするために、恒星質量のブラックホールは常に同じ方法で摂食しません。 時々彼らはガスを飲み込んで、時々彼らは全く食べない。 これらの「オン」状態と「オフ」状態を切り替えるたびに、X線放射は特徴的な方法で調整されます。 オンになったばかりの新しく発見されたシステムでは、円盤とコロナの形状が変化している必要がありますが、実際にこれらの変化を撮像することは、現在の望遠鏡や近未来の望遠鏡の能力を超えています。

そのため、天文学者は別の方法を採用し、システム内で光がどのように「エコー」するかを観察しました。 コウモリはエコーロケーションを使用して、見えない環境をマッピングし、高周波で呼び出し、呼び出しのエコーが戻るまでにかかる時間を測定します。 同様に、Karaと同僚は、光のエコーを使用して、この突然ガスに苦しむブラックホールの解決不可能な内部をマッピングしました。

注目株

チームは、国際宇宙ステーションに搭載された機器を使用して明るくなっているイベントをキャッチしました。 全天X線画像モニター(MAXI)は一種のタレントスカウトとして機能し、96分ごとにX線全体を調査し、さまざまな線源を探します。 昨年3月11日、このイメージャーは、明るさを増したように、現在MAXI J1820 + 070として知られているソースを発見しました。

翌日、同じく宇宙ステーションに搭乗した中性子星のインテリア組成エクスプローラー(NICER)が1〜3日ごとにソースを監視し始めました。 NICERの検出器は、これらの観測中に個々のX線フォトンをカウントし、1秒あたり25, 000フォトンという高いレートで浸水した場合でも、エネルギーと到着時間を測定しました。

一般的に言って、低エネルギーのX線のほとんどはディスクから来ており、高エネルギーのX線のほとんどはコロナから来ています。 NICERからデータが流れ込むと、Karaと同僚は、最初に高エネルギー帯域が明るくなるか消えていくのを確認し、次に低エネルギー帯域が続くことを確認できました。 この傾向は、コロナから来る高エネルギー放射がディスクを照射し、より低いエネルギーで光るまでディスクを加熱することを示唆していました。

このアニメーションは、MAXI J1820 + 070のブラックホールからのX線(青)が降着円盤(オレンジ)から「エコー」している様子を示しています。 これらのエコーを測定することにより、天文学者はブラックホールのコロナとディスクをマッピングできます。
NASAゴダード宇宙飛行センター

「これらの光のエコーが数週間にわたってどんどん近づいていくことに気付きました」とカラは言いました。 「システム内の何かが小さくなってきていました。」

この数週間、ディスク放出の他のシグネチャは変化していなかったため、Karaのチームは、ディスクでは変化が起きていないと考えていました。 100マイルから10マイルに縮むコロナでした。

実際、タイムラグの綿密な分析により、コロナが実際に円盤上に垂直に伸びているように見えることが示されました。 このような形状は、コロナと、これらのブラックホール駆動システムから頻繁に発射されるエネルギー粒子の高速噴流との関係を示唆している可能性があります。

コロナがそのようなジェットのベースであるかもしれないという考えは、まだいくらか議論の余地があり、共著者のジェームズ・スタイナー(MIT)は、チームの分析がコロナの正確な幾何学を突き止めることができなかったと警告しました。 「ジェットの基部コロナがこれらの結果にうまく適合することができると言うのは公平ですが、それはユニークな解釈でもありません」と彼は付け加えました。

このアーティストのコンセプトは、エネルギーを与える粒子のジェットを発射するブラックホールの摂食を示しています。 コロナはそのようなジェットのベースになるのでしょうか?
NASA / JPL-カルテック

結果はまた、超巨大ブラックホールのエレファンチンスケールで発生するプロセスのアリの視点を提供します。 恒星質量のブラックホールは数日または数か月で「オン」になる場合がありますが、遠方の銀河の中心にある超質量ブラックホールは、同じような遷移を行うには数万年かかることがあります。

「[この測定]はパズルに貴重なピースを追加しますが、このイベントは1つのデータポイントのみを表します」と、 Natureの記事に付随する意見ピースの著者であるDaryl Haggard(McGill University、カナダ)は言います。 ハガードは、追加の恒星質量ブラックホールの研究、ならびに不規則な摂食習慣を持つ超質量ブラックホールの研究がこれらの発見を強化するのに役立つだろうと付け加えています。