Das IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) der NASA hat den Astronomen geholfen, die Form der Strukturen besser zu verstehen, die für ein Schwarzes Loch wesentlich sind – insbesondere die Scheibe aus Material, die um das Loch herumwirbelt, und die sich bewegende Plasmaregion, die Korona. Eine Pressemitteilung der NASA.
Quelle: NASA, 6. Dezember 2024.
(Bild: Marie Novotná)
6. Dezember 2024 – Das stellare Schwarze Loch, Teil des Doppelsternsystems Swift J1727.8-1613, wurde im Sommer 2023 während eines ungewöhnlichen Aufhellungsereignisses entdeckt, bei dem es kurzzeitig fast alle anderen Röntgenquellen überstrahlte. Es ist das erste seiner Art, das von IXPE während des Beginns, des Höhepunkts und des Endes eines derartigen Röntgenausbruchs beobachtet wurde.
Swift J1727 ist Gegenstand einer Reihe neuer Studien, die in den Zeitschriften The Astrophysical Journal und Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurden. Die Wissenschaftler sagen, dass die Ergebnisse neue Einblicke in das Verhalten und die Entwicklung von binären Röntgensystemen mit schwarzen Löchern liefern.
„Dieser Ausbruch hat sich unglaublich schnell entwickelt“, sagt die Astrophysikerin Alexandra Veledina, die an der Universität Turku in Finnland forscht. „Von unserer ersten Entdeckung des Ausbruchs an dauerte es nur wenige Tage, bis Swift J1727 seinen Höhepunkt erreichte. Zu diesem Zeitpunkt hatten IXPE und zahlreiche andere Teleskope und Instrumente bereits Daten gesammelt. Es war sehr aufregend, den Ausbruch bis zu seiner Rückkehr in die Inaktivität zu beobachten.“
Bis Ende 2023 blieb Swift J1727 kurzzeitig heller als der Krebsnebel, die Standard-Röntgenkerze“, die als Basis für Einheiten der Röntgenhelligkeit verwendet wird. Solche Ausbrüche sind bei Doppelsternsystemen nicht ungewöhnlich, aber selten treten sie so hell und so nah an der Erde auf – nur 8.800 Lichtjahre von der Erde entfernt. Das Doppelsternsystem wurde zu Ehren der Swift Gamma-ray Burst Mission benannt, die den Ausbruch mit ihrem Burst Alert Telescope am 24. August 2023 entdeckte, was zur Entdeckung des Schwarzen Lochs führte.
Röntgendoppelsterne bestehen in der Regel aus zwei nahe beieinander liegenden Sternen, die sich in unterschiedlichen Stadien ihres Lebenszyklus befinden. Wenn dem älteren Stern der Brennstoff ausgeht, explodiert er in einer Supernova und hinterlässt einen Neutronenstern, einen Weißen Zwerg oder ein Schwarzes Loch. Im Fall von Swift J1727 riss die starke Schwerkraft des entstehenden Schwarzen Lochs Material von seinem Begleitstern ab, das auf über 1,8 Millionen Grad Celsius erhitzt wurde und einen gewaltigen Ausstoß von Röntgenstrahlung erzeugte. Diese Materie bildete eine Akkretionsscheibe und kann eine überhitzte Korona enthalten. An den Polen des Schwarzen Lochs kann die Materie auch in Form von relativistischen Strahlen aus dem Doppelsternsystem entweichen.
Das IXPE, das der NASA und anderen Forschern bei der Untersuchung all dieser Phänomene geholfen hat, ist auf die polarisierte Röntgenstrahlung spezialisiert, eine Eigenschaft des Lichts, die dazu beiträgt, die Form und Struktur solcher ultrastarken Energiequellen zu kartografieren und ihr Innenleben zu beleuchten, selbst wenn sie für uns zu weit entfernt sind, um sie direkt zu sehen.
„Da das Licht selbst ihrer Schwerkraft nicht entkommen kann, können wir Schwarze Löcher nicht sehen“, sagte Alexandra Veledina, Astrophysikerin bei der NASA. „Wir können nur beobachten, was um sie herum geschieht, und Rückschlüsse auf die Mechanismen und Prozesse ziehen, die dort ablaufen. IXPE ist entscheidend für diese Arbeit.“
Zwei der IXPE-basierten Untersuchungen von Swift J1727, die von Veledina und Adam Ingram, einem Forscher an der Newcastle University in Newcastle-upon-Tyne, England, geleitet wurden, konzentrierten sich auf die ersten Phasen des Ausbruchs. Während der kurzen Zeitspanne von einigen Monaten, in der die Quelle außergewöhnlich hell wurde, war die Korona die Hauptquelle der beobachteten Röntgenstrahlung.
„IXPE dokumentierte eine Polarisation der Röntgenstrahlung, die sich entlang der geschätzten Richtung des Jets des Schwarzen Lochs ausbreitet, so dass sich das heiße Plasma in der Ebene der Akkretionsscheibe ausbreitet“, sagte Veledina. „Ähnliche Befunde wurden bei dem persistenten Schwarzen Loch Cygnus X-1 gemeldet, so dass dieser Befund dazu beiträgt, zu bestätigen, dass die Geometrie bei kurzlebigen eruptiven Systemen die gleiche ist.“
Das Team beobachtete außerdem, wie sich die Polarisationswerte während des Spitzenausbruchs von Swift J1727 veränderten. Diese Schlussfolgerungen stimmten mit den Ergebnissen überein, die gleichzeitig bei Untersuchungen anderer Energiebänder elektromagnetischer Strahlung gewonnen wurden.
Eine dritte und eine vierte Studie unter der Leitung der Forscher Jiří Svoboda und Jakub Podgorný, beide von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Prag, konzentrierten sich auf die Röntgenpolarisation während des zweiten Teils des Ausbruchs von Swift J1727 und seiner Rückkehr zu einem hochenergetischen Zustand mehrere Monate später. Für seine früheren Arbeiten mit IXPE-Daten und Simulationen von Schwarzen Löchern wurde Podgorný kürzlich mit dem höchsten nationalen Preis der Tschechischen Republik für eine Doktorarbeit in den Naturwissenschaften ausgezeichnet.
Die Polarisationsdaten zeigten, dass sich die Geometrie der Korona zwischen dem Beginn und dem Ende des Ausbruchs nicht wesentlich verändert hat, obwohl sich das System in der Zwischenzeit weiterentwickelt hat und die Röntgenhelligkeit im späteren energetischen Zustand dramatisch abnahm.
Die Ergebnisse stellen einen bedeutenden Fortschritt in unserem Verständnis der sich verändernden Formen und Strukturen von Akkretionsscheiben, Korona und verwandten Strukturen bei Schwarzen Löchern im Allgemeinen dar. Die Studie zeigt auch den Wert von IXPE als Instrument, um zu bestimmen, wie all diese Elemente des Systems miteinander verbunden sind, sowie sein Potenzial, mit anderen Observatorien zusammenzuarbeiten, um plötzliche, dramatische Veränderungen im Kosmos zu beobachten.
„Weitere Beobachtungen von Materie in der Nähe von Schwarzen Löchern in Doppelsternsystemen sind notwendig, aber die erfolgreiche erste Beobachtungskampagne von Swift J1727.8-1613 in verschiedenen Zuständen ist der beste Anfang eines neuen Kapitels, das wir uns vorstellen können“, sagte Michal Dovčiak, Mitautor der Reihe von Veröffentlichungen und Leiter der IXPE-Arbeitsgruppe über Schwarze Löcher mit stellarer Masse, der auch an der Tschechischen Akademie der Wissenschaften forscht.
Mehr über IXPE
IXPE ist eine gemeinsame Mission der NASA und der italienischen Weltraumbehörde, die mit Partnern und wissenschaftlichen Mitarbeitern aus 12 Ländern bahnbrechende Entdeckungen über Himmelsobjekte im gesamten Universum ermöglicht. IXPE wird vom Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, geleitet. Ball Aerospace mit Hauptsitz in Broomfield, Colorado, leitet den Betrieb der Raumsonde zusammen mit dem Laboratory for Atmospheric and Space Physics der Universität Colorado in Boulder.
Weitere Informationen über die laufende Mission von IXPE finden Sie hier: https://www.nasa.gov/ixpe
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