استمع إلى الأصوات الغريبة لصدى الثقب الأسود – يكشف البحث عن 8 مصادر جديدة لصدى الثقب الأسود

الاكتشافات الجديدة ستساعد العلماء في العثور على واحد[{” attribute=””>black hole’s evolution as it feeds on stellar material.

Tens of millions of black holes are strewn across our Milky Way galaxy. These gravitational wells of spacetime are so enormously powerful that infalling matter, and even light, can never escape. Except on rare instances when they feed, black holes are inherently dark. As a black hole absorbs gas and dust from an orbiting star, it can emit stunning bursts of X-ray radiation that bounce and reverberate off the inspiraling gas, briefly illuminating a black hole’s extreme surroundings.

Now MIT astronomers are looking for flashes and echoes from nearby black hole X-ray binaries — systems with a star orbiting, and occasionally being eaten away by, a black hole. They are analyzing the echoes from such systems to reconstruct a black hole’s immediate, extreme vicinity.

In a study appearing published on May 2, 2022, in The Astrophysical Journal, the researchers report using a new automated search tool, which they’ve named the “Reverberation Machine,” to comb through satellite data for signs of black hole echoes. In their search, they have discovered eight new echoing black hole binaries in our galaxy. Previously, only two such systems in the Milky Way were known to emit X-ray echoes.

In comparing the echoes across systems, the team has pieced together a general picture of how a black hole evolves during an outburst. Across all systems, they observed that a black hole first undergoes a “hard” state, whipping up a corona of high-energy photons along with a jet of relativistic particles that is launched away at close to the speed of light. The researchers discovered that at a certain point, the black hole gives off one final, high-energy flash, before transitioning to a “soft,” low-energy state.

This final flash may be a sign that a black hole’s corona, the region of high-energy plasma just outside a black hole’s boundary, briefly expands, ejecting a final burst of high-energy particles before disappearing entirely. These findings could help to explain how larger, supermassive black holes at the center of a galaxy can eject particles across vastly cosmic scales to shape a galaxy’s formation.

“The role of black holes in galaxy evolution is an outstanding question in modern astrophysics,” says Erin Kara, assistant professor of physics at MIT. “Interestingly, these black hole binaries appear to be ‘mini’ supermassive black holes, and so by understanding the outbursts in these small, nearby systems, we can understand how similar outbursts in supermassive black holes affect the galaxies in which they reside.”

The study’s first author is MIT graduate student Jingyi Wang; other co-authors include Matteo Lucchini and Ron Remillard at MIT, along with collaborators from Caltech and other institutions.

X-ray delays

Kara and her colleagues are using X-ray echoes to map a black hole’s vicinity, much the way that bats use sound echoes to navigate their surroundings. When a bat emits a call, the sound can bounce off an obstacle and return to the bat as an echo. The time it takes for the echo to return is relative to the distance between the bat and the obstacle, giving the animal a mental map of its surroundings.

In a similar fashion, the MIT team is looking to map the immediate vicinity of a black hole using X-ray echoes. The echoes represent time delays between two types of X-ray light: light emitted directly from the corona, and light from the corona that bounces off the accretion disk of inspiraling gas and dust.

The time when a telescope receives light from the corona, compared to when it receives the X-ray echoes, gives an estimate of the distance between the corona and the accretion disk. Watching how these time delays change can reveal how a black hole’s corona and disk evolve as the black hole consumes stellar material.

Echo evolution

In their new study, the team developed a search algorithm to comb through data taken by NASA’s Neutron star Interior Composition Explorer, or NICER, a high-time-resolution X-ray telescope aboard the International Space Station. The algorithm picked out 26 black hole X-ray binary systems that were previously known to emit X-ray outbursts. Of these 26, the team found that 10 systems were close and bright enough that they could discern X-ray echoes amid the outbursts. Eight of the 10 were previously not known to emit echoes.

“We see new signatures of reverberation in eight sources,” Wang says. “The black holes range in mass from five to 15 times the mass of the sun, and they’re all in binary systems with normal, low-mass, sun-like stars.”

As a side project, Kara is working with MIT education and music scholars, Kyle Keane and Ian Condry, to convert the emission from a typical X-ray echo into audible sound waves. Take a listen to the sound of a black hole echo here:

https://www.youtube.com/watch؟v=iIeIag2Ji8k
الائتمان: الصوت محسوبًا بواسطة Kyle Keane و Erin Cara ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. الرسوم المتحركة من قبل مايكل Dowsiak ، ASU CAS.

ثم نفذ الباحثون الخوارزمية على 10 ثنائيات من الثقوب السوداء وقسموا البيانات إلى مجموعات ذات “خصائص توقيت طيفي” متطابقة ، أي تأخيرات مماثلة بين الأشعة السينية عالية الطاقة وصدى إعادة المعالجة. ساعد هذا على مراقبة التغيير في أصداء الأشعة السينية بسرعة في كل مرحلة أثناء ثوران الثقب الأسود.

حدد الفريق تطورًا مشتركًا في جميع الأنظمة. في الحالة الأولية “الصلبة” حيث تهيمن نفاثة الهالة والجسيمات عالية الطاقة على طاقة الثقب الأسود ، تم اكتشاف تأخيرات زمنية قصيرة وسريعة في حدود أجزاء من الألف من الثانية. يمكن أن تستمر هذه الحالة الصعبة لعدة أسابيع. بعد ذلك ، يحدث الانتقال على مدار عدة أيام يتم فيها قطع الهالة والطائرة النفاثة ويموتان ، ويأخذ الثقب الأسود حالة لينة تهيمن عليها الأشعة السينية منخفضة الطاقة من القرص.

خلال هذه المرحلة الانتقالية الصعبة ، وجد الفريق أن التأخر الزمني في جميع الأنظمة العشرة زاد بشكل طفيف ، مما يشير إلى أن المسافة بين الهالة والقرص زادت أيضًا. أحد التفسيرات هو أنه في آخر ثوران بركاني عالي الطاقة ، يتمدد الهالة لفترة وجيزة إلى الخارج وإلى الأعلى ، قبل أن يكمل الثقب الأسود معظم نظامه الغذائي النجمي ويصبح صامتًا.

يقول كارا: “نحن في بداية استخدام أصداء الضوء هذه لإعادة إنشاء البيئة الأقرب إلى الثقب الأسود”. “لقد أظهرنا الآن أن هذه الأصداء يتم ملاحظتها بشكل شائع ، وأن الروابط بين قرص الثقب الأسود والطائرة والهالة يمكن استكشافها بطريقة جديدة.”

ملاحظة: “The Nisar” Reversion Machine “: Jingi Wang و Erin Cara و Matteo Luccini و Adam Ingram و Michael van der Kliss و Guglielmo Maestro Serio و Javier و A. Thomas Dowser و Riley Connors و Andrew C. Fabian و F. Ron A ريميلارد ، إدوارد إم.كوكيت ، بيل أودلي ودييجو ألتاميرانو ، 2 مايو 2022 ، مجلة الفيزياء الفلكية.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / ac6262

كجزء من هذا البحث ، تم دعمه من قبل وكالة ناسا.