Ultrajasne źródło rentgenowskie w Andromedzie to czarna dziura

Ultrajasne źródło rentgenowskie w Andromedzie to czarna dziuraOriginal Press Release
Szczegółowe badania pierwszego ultrajasnego źródła rentgenowskiego (ULX – UltraLuminous X-ray source) odkrytego w galaktyce Andromedy wskazują, że powstają one w wyniku gwałtownego pochłaniania materii przez czarną dziurę o masie gwiazdowej.

Mieliśmy szczęście, że wykryliśmy ULX wystarczająco wcześnie, by zarejestrować znaczącą część jego krzywej blasku, która wykazała bardzo podobne zachowanie do znanych z naszej Galaktyki źródeł promieniowania rentgenowskiego.  Oznacza to, że ULX w Andromedzie prawdopodobnie zawiera typową czarną dziurę o masie gwiazdowej pochłaniającą materię w bardzo szybkim tempie

Wolfgang Pietsch
Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik

Źródła ULX to zróżnicowana grupa obiektów, które łączy wyjątkowo jasna emisja promieniowania. Znajdują się zarówno w bliskim, jak i odległym Wszechświecie, gdzie są dostrzegane w zewnętrznych rejonach galaktyk. Ponieważ są dość rzadkie – zwykle w jednej galaktyce obserwuje się nie więcej niż dwa takie źródła, o ile w ogóle są obecne – mała ilość dostępnych danych doprowadziła do powstania dwóch konkurencyjnych teorii wyjaśniających ich wysoką jasność. Pierwsza zakłada gwałtowną akrecję materii przez czarną dziurę o masie gwiazdowej (takie czarne dziury mają masy zazwyczaj znacznie mniejsze niż stu krotność masy Słońca). Alternatywnym wyjaśnieniem jest nowy gatunek czarnych dziur o masach pośrednich (pośrednich pomiędzy gwiazdowymi, a super masywnymi dziurami w jądrach galaktyk. Pośrednie masy oznaczają czarne dziury o masie od 100 – 100 000 razy większej od masy Słońca) pochłaniające materię znacznie wolniej. Jedną z podstawowych przeszkód w próbach odnalezienia właściwej odpowiedzi jest odległość do tych obiektów, która sprawia, że ich szczegółowe obserwacje są trudne lub często nawet niemożliwe.

Dwa zespoły badawcze prezentują wyniki obserwacji niezwykłego, krótkotrwałego (transient) źródła promieniowania rentgenowskiego dostrzeżonego w galaktyce Andromedy (M31), najbliższej sąsiadującej z naszą dużej galaktyki, leżącej w odległości zaledwie około dwóch milionów lat świetlnych. Andromeda jest regularnie monitorowana przez satelity i obserwatoria rentgenowskie Chandra i XMM-Newton w ramach trwającej kampanii prowadzonej przez naukowców z Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik. Po raz pierwszy wykryty pod koniec 2009 roku przez Chandrę, nowy obiekt został natychmiast uznany przez naukowców MPE za niskiej jasności ULX, chociaż już na samym była jaśniejszy niż całkowita emisja rentgenowska galaktyki Andromeda. Obiekt ten był nie tylko pierwszym źródłem ULX dostrzeżonym w galaktyce spiralnej, ale także najbliższym ULX, jaki kiedykolwiek zaobserwowano. Dalsze obserwacje prowadzone za pomocą satelity Swift oraz teleskopu kosmicznego NASA Hubble Space Telescope dostarczyły istotnych uzupełniających danych na temat niezwykłego źródła ULX. Emisja wygasła w wykładniczym tempie z charakterystycznym dla rentgenowskich układów podwójnych czasem około jednego miesiąca.

Innym wskaźnikiem, z którego naukowcy mogą wyciągać wnioski na temat procesów fizycznych zachodzących wokół czarnej dziury są zmiany  rentgenowskiego widma w trakcie zaniki emisji. Mogą one wskazywać, że wysoka jasność powoduje, iż wewnętrzne regiony źródła rozszerzają się sięgając fotosfery. Alternatywnym wyjaśnieniem jest znacznie dokładniejszy obraz tego źródła w porównaniu do podobnych, znanych z Galaktyki źródeł promieniowania rentgenowskiego. W obu przypadkach po raz pierwszy ULX o mniejszej jasności został jednoznacznie powiązany z czarną dziurę o gwiezdnej masie wynoszącej przynajmniej 13 mas Słońca.

Idealną sytuacją dla potwierdzenia wniosków byłaby obserwacja tego samego źródła w trakcie kolejnego rozbłysku. Jednak jeśli faktycznie jest to obiekt analogiczny do rentgenowskiej układów podwójnych znanych w Drodze Mlecznej astronomowie muszą nastawić się na długie oczekiwanie na kolejne pojaśnienie. W znanych układach podwójnych takie rozbłyski pojawiają się co kilkadziesiąt lat. Z drugiej strony, ponieważ w galaktyce Andromedy znanych jest wiele rentgenowskich układów podwójnych, rozbłysk podobnego źródła może nastąpić w każdej chwili. Choć „monitorowanie” nie brzmi ekscytująco, nowe wyniki pokazują, że tego rodzaju programy badawcze często prowadzą do ważnych odkryć i mogą prowadzić do przełomów – w szczególności jeśli są uzupełnione głębokimi i dokładnymi obserwacjami.

Źródła:

First ultraluminous source in Andromeda galaxy unmasked as stellar mass black hole

Detailed observations show that the first ultraluminous X-ray source detected in our neighbouring Andromeda galaxy is due to a stellar mass black hole swallowing material at very high rates. An international team of astronomers, including scientists at the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, have now published their findings in two papers. The emission of the ultraluminous source probably originates from a system similar to X-ray binaries in our galaxy with matter accreting onto a black hole, which is at least 13 times more massive than our Sun. Unlike X-ray binaries in our own Milky Way, however, this source is much less obscured by interstellar gas and dust, allowing detailed investigations also at low X-ray energies.

Ultraluminous X-ray sources (ULX) represent a contentious set of objects, which emit at remarkably high luminosities. They can be found in both the nearby and the distant Universe, where they are seen in the outer regions of galaxies (see note 1). As they are fairly rare, with usually only one or two ULX in one galaxy – if they are present at all – the sparse data available to astronomers gave rise to two competing explanations for their high luminosities: Either a stellar mass black holes (see note 2) is accreting at extreme rates or there is a new sub-species of intermediate mass black holes (IMBH – see note 3) accreting at lower rates. One of the greatest difficulties in attempting to find the right answer is the large distance to these objects, which makes detailed observations difficult or even impossible.

Two research teams now report on observations of an unusual X-ray transient light source in Andromeda (M31), our nearest big neighbour galaxy at a distance of „only” some two million light-years. Andromeda is monitored on a regular basis by the X-ray satellite observatories Chandra and XMM-Newton as part of an on-going campaign led by scientists at the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics. First detected in late 2009 by Chandra, the new object was immediately classified as a low luminosity ULX by the MPE researchers, even though initially it was more luminous than the total X-ray luminosity of the Andromeda galaxy. This is therefore not only the first ULX in this spiral galaxy but also the closest ULX ever observed. Follow-up observations with the Swift and HST satellites yielded important complementary data for this remarkable ULX.

„We were very lucky that we caught the ULX early enough to see most of its lightcurve, which showed a very similar behaviour to other X-ray sources from our own galaxy,” explains Wolfgang Pietsch from the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics. The emission decayed exponentially with a characteristic timescale of about one month, which is a common property of stellar mass X-ray binaries. „This means that the ULX in Andromeda likely contains a normal, stellar black hole swallowing material at very high rates.”

Another indication about the physical processes around the black hole comes from the changing shape of the X-ray spectrum as the emission decays. This could mean that the high luminosities involved cause the inner regions to expand outwards into a „photosphere”. Alternatively, we could have a much clearer view to this source compared to other sources in our own galaxy. In either case, this is the first time that a lower luminosity ULX is linked unambiguously to a stellar mass black hole at least 13 times more massive than our Sun.

Ideally, the astronomers would like to replicate these findings by re-observing the source in another outburst. However, if it is indeed analogous to the X-ray binaries in our own Milky Way, astronomers may be in for a long wait: such outbursts occur on the order of decades. On the other hand, as there are so many X-ray binaries in the Andromeda galaxy, another similar outbursting source could be captured any time by the on-going monitoring campaign. While „monitoring” may not sound exciting, the current results show that such programmes are often blessed with discovery and lead to breakthroughs – in particular, if they are augmented with deep and sustained follow-up.

Written by admin

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *