Raudan röntgensäteily vahvisti mustan aukon kaasuvirtauksen prekession

[Mare Nectaris]

Mustan aukon H1743-322 kaasusta ja pölystä koostuva kertymäkiekko on hieman kallistunut suhteessa pyörivän aukon ekvaattorin tasoon. Kallistumisen vuoksi lähinnä mustaa aukkoa olevan, lähes 20 prosentin valon nopeudella purkautuvan kuuman kaasun virtauksen voidaan havaita prekessoivan: sen pyörimisakseli vaappuu pyörivän hyrrän tavoin kerran neljässä sekunnissa. Amsterdamin yliopiston tutkija Adam Ingram on ensimmäinen kirjoittaja artikkelissa, joka julkaistiin Monthly Notices of the Royal Astronomical Societyn verkkojulkaisuna "A quasi-periodic modulation of the iron line centroid energy in the black hole binary H1743−322"  25.5.2016.

Mustaan aukkoon syöksyvä materia kuumenee. Lähinnä mustaa aukkoa se saavuttaa jopa miljoonien asteiden kuumuuden ja lähettää röntgensäteilyä. Jo 1980-luvulla tästä röntgensäteilystä havaittiin kirkastumiseen ja himmentymiseen liittyvää jaksollisuutta, joka nimettiin kvasiperiodiseksi oskillaatioksi (QPO). Jaksollisuuden luonnetta ei tuolloin vielä ymmärretty. Vuonna 2009 Adam Ingram kollegoineen julkaisi tutkimuksen, jossa ehdotettiin QPO-ilmiön syntyvän sisimmän kuuman kaasuvirtauksen prekessiosta. Ilmiölle ei vielä tuolloin saatu vahvistusta havainnoista, sillä mustissa aukoissa syntyi röntgensäteitä liian laajaspektrisesti tarkkojen havaintojen tekemistä ajatellen. Säteilyn kirkastumisen ja himmentymisen vaihtelu pystyttiin havaitsemaan, ja siitä voitiin päätellä mustan aukon H1743-322 kertymäkiekon preksession neljän sekunnin jaksollisuus.

Mustan aukon H1743-322 kertymäkiekon kallistuma tarjosi kuitenkin mahdollisuuden tehdä paljon tarkempia mittauksia. Lähimpänä mustan aukon keskustaa purkautuvasta kuumasta kaasusta vapautuva röntgensäteily vaikuttaa kallistuneen kertymäkiekon rauta-atomeihin, jotka puolestaan säteilevät röntgensäteitä lähtökohtaisesti 6,4 keV energiatasolla. Rauta-atomien röntgensäteilyn fotonit kuitenkin menettävät energiaa kiivetessään mustan aukon gravitaatiokaivosta. Samoin niiden energiatasossa tapahtuu Doppler-ilmiön mukaista vaihtelua sen mukaan, tuleeko raudan röntgensäteily siitä osasta kertymäkiekkoa, joka pyörii kohti havaitsijaa, vai siitä osasta, joka pyörii havaitsijasta poispäin. Näitä raudan röntgensäteilyn energiaeroja on havaittu ESAn XMM-Newton- sekä NASAn NuSTAR kiertorataröntgenteleskoopeilla. Havaitsemisessa suurin haaste on ollut mustan aukon painovoimakentan aiheuttama, suhteellisuusteorian mukainen säteilyn taipuminen: raudan spektriviiva vääristyy, mutta on kuitenkin tulkittavissa.

Havainnot kallistuneen kertymäkiekon raudan spektriviivan käyttäytymisestä osoittavat, että myös raudan röntgensäteilyn puna- ja sinisiirtymä esiintyy säteilyn kirkkaudesta aiemmin havaitussa, neljän sekunnin prekessiosyklissä, QPOn mukaisesti. Tämä vahvistaa prekession olemassaolon. Havainto vahvistaa fysikaalisia reunaehtoja kuuman kaasun purkautumisen ja kertymäkiekon dynamiikan ymmärtämiselle. Samalla ymmmärrys myös mustan aukon luomasta gravitaatiopyörteestä syvenee.

Asiasta uutisoi Astronomy-lehti verkkosivullaan.