XMM-Newton首次映射黑洞动态行为与环境

黑洞日冕动力学行为

黑洞电晕的动态行为(艺术家的印象)。信用:esa

物料落入黑洞X射线输出到太空 - 现在,首次,ESA的XMM-Newton X射线观测台使用了这种辐射的混响回波,以映射黑洞本身的动态行为和周围环境。

天空中的大多数黑洞都太小,我们无法解决它们的直接环境,但我们仍然可以通过观察物质在接近和落入它们时的行为来探索这些神秘的物体。

作为朝向黑洞的材料螺旋,它被加热并发出X射线,反过来,回声和回响它们与附近的气体相互作用。由于黑洞的极端性质和粗暴的强力,这些空间区域非常扭曲和扭曲。

研究人员首次使用了xmm -牛顿跟踪这些光呼应并在活动星系的核心处映射黑洞的周围。黑洞的主机星系是天空中最具变量的X射线源之一,在仅数小时时间为50倍的亮度,经历了非常大而快速的波动。

“每个人都熟悉他们的声音听起来不同的回声在课堂上说话的时候相比,大教堂——这仅仅是由于房间的几何和材料,使声音的行为,并在不同的反弹,”解释了威廉·阿尔斯通剑桥大学的英国,这项新研究的主要作者。

“以类似的方式,我们可以观看X射线辐射的回波在黑洞附近传播,以便在它消失到奇异度之前映射区域的几何形状和物质的状态。这有点像宇宙回声位置。“

映射黑洞周围环境

这些插图显示了使用ESA的XMM-Newton X射线天文台映射到环境气体上的黑洞的周围环境。
当物质落入黑洞时,它会旋转形成一个扁平的圆盘,如图所示,并随之升温。在圆盘的最中心,靠近黑洞的地方,一个由温度高达10亿度的热电子组成的区域被称为日冕,它产生了高能x射线,并射向太空。
一项新的研究利用xmm -牛顿观测到的这种辐射的回声来描绘黑洞的周围环境。这项研究集中在一个名为IRAS 13224-3809的活跃星系核心的黑洞上,它是天空中最易变化的x射线源之一,在短短几小时内,它的亮度会发生非常大且快速的波动,达到50倍。
通过跟踪X射线回波,可以追踪电晕本身的动态行为,其中强烈的X射线发射源自。这里显示了电晕,随着悬停在黑洞上的明亮区域,尺寸和亮度变化。该研究发现,在iRAS 13224-3809内的黑洞的电晕尺寸非常迅速地变化,在几天内。
信用:esa

由于坠落气体的动力学与吞噬黑洞的性质密切相关,威廉和他的同事们也能够通过观察物质向内旋转的性质来确定星系中心黑洞的质量和自旋。

普遍存器的材料形成圆盘,因为它落入黑洞。在该盘上方呈现非常热的电子区域 - 温度约为10亿度数 - 称为电晕。虽然科学家预计将看到他们过去映射该地区几何的混响回波,但它们也意外地发现了一些意外的东西:电晕本身在几天内令人难以置信的速度变化。

“随着电晕的尺寸变化,光回声也是如此 - 如果大教堂天花板上下移动,那么就像上下移动,改变了声音的回声,”威廉添加了威廉。

“通过跟踪光的回声,我们能够跟踪日冕的变化,更令人兴奋的是,得到了比我们所能确定的日冕的大小没有变化的更好的黑洞质量和自旋值。”我们知道黑洞的质量不可能是波动的,所以回声中的任何变化一定是由于气体环境造成的。”

该研究使用了与XMM-Newton拍摄的增强黑洞的最长观察,2011年和2016年收集了16次航天器轨道,总计23天。

XMM Newton.

艺术家对Xmm-eweton的印象。信用:
ESA-C。Carreau

再加上黑洞本身强烈而短期的可变性,威廉和合作者们得以在一天的时间尺度上全面地模拟回声。

在这项研究中所探索的区域是无法观测到的,比如事件视界望远镜首先是图片天然气在一个黑洞附近 - 坐在附近的大型银河系M87中心的一个。结果,基于2017年世界各地的无线电望远镜进行的观察结果并去年出版,立即成为全球性感。

“使用称为干涉测量法的方法获得”事件地平线望远镜图像 - 一种奇妙的技术,只能在最近的最近的超级分类黑洞到地球,例如那些在M87在我们的银河系,银河系合著者迈克尔·帕克(Michael Parker)说,他是西班牙马德里附近的欧洲空间天文中心(European Space Astronomy Centre)的欧洲航天局研究员。

“相比之下,我们的方法能够探测到最近的几百个超大质量黑洞,它们正在积极地消耗物质——随着欧洲航天局的雅雅娜卫星的发射,这个数字将显著增加。”

黑洞活动Galaxy M87

ESA的XMM-Newton Space天文台在X射线中观察大规模星系M87的核心。
一个巨大的椭圆星系,M87是几万亿星的家,使其成为当地宇宙中最具巨大的星系之一。大约5200万光年,它位于维戈集群的中心,是最近到当地小组的星系集群,我们自己的银河系属于哪种银河。
像我们的太阳一样大量的恒星像我们的太阳一样大量的黑洞,以M87的核心坐在M87的核心,以极其强烈的速度从其周围环境中的材料。黑洞的增生产生强大的喷气机,发射高能粒子,靠近光线向外的速度进入周围的簇环境,以及充气从簇中心提升冷却器气体并形成该图像中可见的丝状结构。
黑洞的活动也会产生激波,比如在图像中心可以看到的圆形特征。
此视图基于在2017年7月16日使用史诗XMM-Newton的X射线能量在0.3和7 kev之间收集的数据。图像跨越每侧40个Arcminutes。
esa / xmm-newton;致谢:P. Rodriguez

描述黑洞周围的环境是欧洲航天局雅典娜任务的核心科学目标,该任务计划在21世纪30年代初发射,将揭开炙热而充满能量的宇宙的秘密。

测量大量黑洞样品的质量,旋转和增率是了解整个宇宙中重力的关键。

此外,由于超大分条的黑洞与宿主银河系的性质密切相关,因此这些研究也是进一步了解我们如何随着时间的推移而发展的关键。

“XMM-Newton提供的大型数据集对于此结果至关重要,”诺伯特Schartel,ESA XMM-Newton项目科学家说。

“混响映射是一种令人兴奋的技术,即在未来几年内承诺揭示大量黑洞和更广泛的宇宙。我希望XMM-Newton在未来几年内为几个更活跃的星系进行类似的观察活动,以便在雅典娜发起时完全建立该方法。“

有关此研究的更多信息,请阅读天文学家使用“宇宙回声位置”映射黑洞周围环境。

参考:“动态黑洞电晕在一个活跃的星系x射线混响映射”威廉·n·阿尔斯通,安德鲁·c·费边艾琳·卡拉,迈克尔·l·帕克米甲Dovciak, Ciro平托,Jiachen江,马修·j·米德尔顿Giovanni Miniutti,多米尼克·j·沃尔顿,丹·r·威尔金斯道格拉斯·j·k·Buisson玛丽亚·d·Caballero-Garcia爱德华·m·CackettBarbara De Marco, Luigi C. Gallo, Anne M. Lohfink, Chris S. Reynolds, Phil Uttley, Andrew J. Young和Abderahmen Zogbhi, 2020年1月20日,自然天文学
DOI: 10.1038 / s41550 - 019 - 1002 - x

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