Voor de beste ervaring schakelt u JavaScript in en gebruikt u een moderne browser!
Switch to English

Een internationaal team van sterrenkundigen onder leiding van UvA-wetenschapper Diego Altamirano heeft een kandidaat geïdentificeerd voor kleinst bekende zwarte gat.

Een internationaal team van sterrenkundigen onder leiding van UvA-wetenschapper Diego Altamirano heeft een kandidaat geïdentificeerd voor kleinst bekende zwarte gat. Met NASA’s röntgentelescoop X-Ray Timing Explorer (RXTE) observeerden de onderzoekers het typische röntgenpatroon van ‘hartslagen’ – zo genoemd omdat ze lijken op een elektrocardiogram – dat één keer eerder is waargenomen bij een zwart gat.

Het dubbelstersysteem IGR J17091-3624 is vernoemd naar de astronomische coördinaten van zijn positie aan de hemel, en bevindt zich in de richting van het sterrenbeeld Schorpioen. Het bestaat uit een normale ster en een zwart gat dat waarschijnlijk minder weegt dan drie keer de massa van de zon. Het bevindt zich in de buurt van de theoretische ondergrens van een zwart gat zoals dat kan ontstaan door de ineenstorting van een ster. De röntgenstraling wordt opgewekt wanneer gas van de normale ster naar het zwarte gat stroomt en een schijf daaromheen vormt. In de schijf wordt het verhit tot miljoenen graden, heet genoeg om röntgenstraling uit te zenden.

Deze schijven vertonen veranderingen in energie en intensiteit op tijdschalen van milliseconden tot maanden. ‘Deze veranderingen zijn de vingerafdrukken van complexe fysische processen die plaatsvinden als het gas naar het zwarte gat stroomt en een wisselwerking daarmee aangaat’, zegt eerste auteur Diego Altamirano. De snelste veranderingen treden vermoedelijk op nabij de waarnemingshorizon van het zwarte gat. Dit is het punt waarop niets meer kan ontsnappen, zelfs geen licht.

Sterrenkundigen ontdekten IGR J17091-3624 tijdens een uitbarsting van röntgenstraling in 2003. Archiefdata van diverse ruimtemissies tonen aan dat het zwarte gat om de paar jaar actief wordt, voor het laatst afgelopen februari. De recordhouder voor dit type zwarte gaten is GRS 1915+105. Die dubbelster is uniek in de wijze waarop het meer dan een dozijn verschillende sterk gestructureerde patronen laat zien, niet alleen hartslagen, die in lengte variëren van seconden tot uren. ‘We denken dat de meeste patronen cycli representeren van opeenhoping en uitstoten van gas in een instabiele schijf. Twee van die cycli – in de zogeheten rho en bèta-klasse - waren uniek voor GRS 1915, dus dat we nu in een ander zwart gat vrijwel dezelfde cycli zien, is opwindend’, zegt coauteur Tomaso Belloni (Brera Observatory, Merate, Italië).

Jets van gas vormen hartslag van zwarte gaten

De rho-klasse-schommelingen zijn zo helder in het röntgen dat sterrenkundigen ze omschrijven als de ‘hartslag’ van zwarte gaten. De sterke magneetvelden bij de waarnemingshorizon van GRS 1915 blazen een deel van het gas met bijna de lichtsnelheid weg in twee jets (straalstromen) in tegenovergestelde richting. Iedere hartslag vormen de jets zich en verdwijnen weer; de pieken van de hartslag corresponderen met de sterkste jets. Veranderingen in het röntgenspectrum tijdens elke hartslag laten zien dat de binnenste delen van de schijf voldoende straling uitzenden om het gas weg te ‘duwen’. Dat veroorzaakt een sterke, naar buiten gerichte wind die de inwaartse stroom stopt en voor korte tijd het zwarte gat ‘uithongert’ en de jet afsluit. Dat laatste correspondeert met de zwakste straling. Uiteindelijk wordt het binnenste deel van de schijf zo helder en heet, dat het in elkaar stort en in de richting van het zwarte gat duikt. Daarmee komt de jet weer op gang en begint de cyclus opnieuw. Zo’n hele cyclus kan in slechts 40 seconden plaatsvinden.

Er is geen direct bewijs dat IGR J17091 een jet met geladen deeltjes heeft, maar de hartslag suggereert dat zich hier een soortgelijk proces afspeelt. Volgens de sterrenkundigen is het opvallend dat de hartslag-emissie 20 keer zo zwak kan zijn als bij GRS 1915 en de cyclus soms acht keer zo snel, slechts 5 seconden.

GRS 1915 is ongeveer 14 zonsmassa’s zwaar, waarmee het een van de zwaarste stellaire zwarte gaten is. Na zes maanden onderzoek met RXTE-data om IGR J17091 te vergelijken met GRS 1915, concluderen de sterrenkundigen dat IGR J17091 maar een heel klein zwart gat is. Altamirano trekt de vergelijking met de hartslag van een olifant en een muis: ‘de hartslag van een muis is veel sneller, en dat geldt ook voor de hartslag van het veel lichtere zwarte gat dat wij hebben onderzocht’. In termen van grootte, en onder bepaalde aannames, wordt de waarnemingshorizon van IGR J17091 vastgesteld op slechts zo’n 18 kilometer, terwijl de diameter van GRS 1915 ruim 40 kilometer is.

De analyse is slechts het begin van een veel groter onderzoek om de twee systemen te vergelijken. Daarbij zullen de sterrenkundigen ook gebruik maken van NASA’s Swift satelliet en het Europese röntgenobservatorium XMM-Newton.

Publicatiegegevens

D. Altamirano, T. Belloni, M. Linares, M. van der Klis, R. Wijnands, P. A. Curran, M. Kalamkar, H. Stiele, S. Motta, T. Muñoz-Darias, P. Casella en H. Krimm: 'The faint "heartbeats" of IGR J17091−3624: an exceptional black hole candidate', in The Astrophysical Journal Letters, december 2011.