Międzynarodowy zespół astrofizyków z Południowo Afrykańskiego Obserwatorium Astronomicznego (SAAO), Uniwersytetu w Southampton, Instytutu Astrofizyki w Paryżu, Centrum Astronomicznego im. M. Kopernika w Warszawie (Jean-Pierre Lasota) i Centrum Astrofizycznego Harvard-Smithonian, odkrył olbrzymie zmiany w jasności optycznej źródła znajdującego się w sąsiedztwie, jednej z najbliższych nas (oddalonej o 9600 lat świetlnych) czarnych dziur i doszli do wniosku, że tego rodzaju zmienność może być tylko wynikiem zwichrowania (wygięcia) otaczającego ją dysku akrecyjnego.
Obiekt zawierający tę czarną dziurę o nazwie MAXI J1820+070, wybuchł na niebie rentgenowskim w marcu 2018 r. i został odkryty przez japoński teleskop na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Takie rentgenowskie źródła przejściowe są układami podwójnymi, w których wybucha dysk akrecyjny otaczający obiekt zwarty. W MAXI J1820+070 jest to czarna dziura o masie 8.5 masy Słońca, absorbująca, za pośrednictwem dysku, masę traconą przez małomasywnego gwiazdowego towarzysza.
Odkrycie, opublikowane w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, było możliwe dzięki analizie bardzo kompletnej i szczegółowej krzywej zmian blasku uzyskanej dzięki prawie rocznym obserwacjom przeprowadzonym w różnych miejscach globu ziemskiego przez wielu astronomów amatorów, członków, zasłużonego dla takich badań, stowarzyszenia AAVSO (American Association of Variable Star Observers). MAXI J1820+070 jest jednym z trzech najjaśniejszych rentgenowskich układów przejściowych, które kiedykolwiek zaobserwowano, co jest wynikiem jego bliskości do Ziemi i wzniesienia ponad zaciemniającą płaszczyznę Drogi Mlecznej. Układ ten pozostawał wyjątkowo długo jasny co umożliwiło obserwacje tak wielu amatorom.
Potężne wybuchy, obserwowane jako przejściowe źródła rentgenowskie, wywołane są przez niestabilność dysku akrecyjnego, zachodzącą, gdy temperatura gromadzącej się w nim materii (podczas stanu spokojnego, w którym układ spędza większość czasu) przekracza krytyczną temperaturę, odpowiadającą jonizacji wodoru. Powoduje to gwałtowny wzrost tempa akrecji w nagrzanym tak dysku, wyzwalając wielkie ilości energii, którą spadająca materia wyświeca przed przekroczeniem horyzontu.
Wizualizacja układu stworzona przez autorów odkrycia, na czele z Jessymol Thomas, post-doktorantką w SAAO, ilustruje jak promieniowanie rentgenowskie emitowane z pobliża czarnej dziury oświetla i grzeje otaczającą materię do temperatury przewyższającej 10 000 K, powodując jej świecenie w promieniowaniu widzialnym. Z tego powodu spadek jasności rentgenowskiej pociąga za sobą zanik światła optycznego.
Niemal 3 miesiące po początku wybuchu, w optycznej krzywej zmian blasku pojawiła się olbrzymia modulacja, z okresem około 17 godzin, bliskim okresowi orbitalnemu. W tym samym czasie, jednakowoż, jasność rentgenowska nie wykazywała najmniejszego śladu takiej zmienności. Wprawdzie w innych przejściowych źródłach rentgenowskich pojawiały się czasem małe quasi-periodyczne modulacje światła widzialnego, ale nigdy nie zaobserwowano poprzednio zmian w tak dużej skali.
Przy kącie widzenia układu pokazanym na ilustracji, można było wykluczyć zwykłe wytłumaczenie tego efektu jako spowodowanego rentgenowskim oświetleniem wewnętrznej powierzchni gwiazdowego towarzysza, bo pojaśnienie pojawiało się w nieodpowiedniej fazie ruchu orbitalnego. Wytłumaczeniem nie mogłoby też zmienne światło z miejsca, w którym strumień masy traconej przez towarzysza uderza w dysk, bo modulacja stopniowo przesuwała się w stosunku do orbity.
Pozostawiało to tylko jedną opcję: ogromny strumień rentgenowski, oświetlający dysk, powodował jego zwichrowanie, dramatycznie zwiększając wystawioną na irradiację powierzchnię, powodując tym wzrost świecenia optycznego w pewnych fazach obserwacji układu. Podobny efekt był obserwowany już w rentgenowskich układach podwójnych z bardziej masywnymi towarzyszami, ale nigdy przedtem w małomasywnym układzie podwójnym. Promieniste zwichrowanie dysku, zostało odkryte teoretycznie w 1996 r. przez Jamesa Pringle’a, badane było dla przypadku układów podwójnych przez Gordona Ogilvie and Guillaume’a Dubusa in 2001, a Carol Haswell i współpracownicy, przewidzieli, w tym samym roku, jego istnienie w małomasywnych rentgenowskich układach podwójnych.
W ramach rozpoczętego pięć lat temu, w Southern African Large Telescope (SALT) programu obserwacji obiektów przejściowych, dokonano wielu ważnych obserwacji, w tym układów zawierających czarne dziury, takich jak MAXI J1820+070. Jak mówi profesor Buckley, astronom prowadzący ten program: „SALT jest idealnym narzędziem do badania zmienności tych podwójnych układów rentgenowskich podczas ich wybuchów, gdyż może je regularnie monitorować podczas tygodni, a nawet miesięcy, a obserwacje te mogą być koordynowane z obserwacjami innych teleskopów, w tym teleskopów w przestrzeni kosmicznej.”
Więcej informacji można znaleźć w oryginalnym artykule: “Large optical modulations during 2018 outburst of MAXI J1820+070 reveal evolution of warped accretion disc through X-ray state change” by Jessymol K. Thomas, Philip A. Charles, David A. H. Buckley, Marissa M. Kotze, Jean-Pierre Lasota, Stephen B. Potter, James F. Steiner and John A. Paice, 26 October 2021, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stab3033
Bibliografia
Pringle J. E., 1996, MNRAS, 281, 357
Ogilvie G. I., Dubus G., 2001, MNRAS, 320, 485
Haswell C. A., King A. R., Murray J. R., Charles P. A., 2001, MNRAS, 321,475
SALT jest finansowany przez międzynarodowe konsorcjum, w skład którego wchodzą Południowa Afryka, USA, Polska, Indie i Zjednoczone Królestwo. Koordynatorem udziału Polski w konsorcjum SALT jest CAMK.
Tekst: Jean-Pierre Lasota
Ilustracja: Zwichrowany dysk akrecyjny wokół czarnej dziury (wizja artystyczna).
Picture credit: John A. Paice
