Lichtechos um den Röntgendoppelstern V404 Cygni

Lichtechos des Röntgendoppelsterns V404 Cygni. (Credits: X-ray: NASA / CXC / U.Wisc-Madison / S. Heinz et al.; Optical / IR: Pan-STARRS))
Lichtechos des Röntgendoppelsterns V404 Cygni. (Credits: X-ray: NASA / CXC / U.Wisc-Madison / S. Heinz et al.; Optical / IR: Pan-STARRS))

Dieses Bild basiert auf Daten der NASA-Weltraumteleskope Chandra und Swift und zeigt spektakuläre Ringe um ein Schwarzes Loch. Die Röntgenbilder der riesigen Ringe geben Informationen über Staub in unserer Galaxie preis, indem ein ähnliches Prinzip wie bei den Röntgengeräten in Arztpraxen und an Flughäfen benutzt wird.

Das Schwarze Loch ist Teil eines Doppelsternsystems namens V404 Cygni, etwa 7.800 Lichtjahre von der Erde entfernt. Das Schwarze Loch zieht aktiv Materie von einem Begleitstern mit etwa halber Sonnenmasse ab, die sich in einer Scheibe um das unsichtbare Objekt sammelt. Diese Materie leuchtet im Röntgenbereich, so dass Astronomen diese Systeme als Röntgendoppelsterne bezeichnen.

Am 5. Juni 2015 entdeckte Swift einen Röntgenausbruch von V404 Cygni. Der Ausbruch schuf die hochenergetischen Ringe durch ein Phänomen, das als Lichtecho bezeichnet wird. Anstatt Schallwellen, die von der Wand einer Schlucht abprallen, wurden die Lichtechos um V404 Cygni erzeugt, als Röntgenstrahlen aus der Nähe des Schwarzen Lochs an Staubwolken zwischen V404 Cygni und der Erde abprallten. Kosmischer Staub ist nicht wie Staub im Alltag, sondern ähnelt eher Rauch und besteht aus winzigen festen Teilchen.

In diesem Kompositbild wurden die von Chandra registrierte Röntgenstrahlung (Hellblau) mit optischen Daten des Pan-STARRS Telescope auf Hawaii kombiniert, die die Sterne im Blickfeld zeigen. Das Bild enthält acht separate konzentrische Ringe. Jeder Ring wird durch Röntgenausbrüche von V404 Cygni erzeugt, die im Jahr 2015 beobachtet wurden und die von verschiedenen Staubwolken reflektiert werden.

Diese Illustration verdeutlicht, wie die Ringe um V404 Cygni entstehen. Aus Gründen der Einfachheit werden hier nur vier Ringe dargestellt. (Credits: Univ. of Wisconsin-Madison / S.Heinz)
Diese Illustration verdeutlicht, wie die Ringe um V404 Cygni entstehen. Aus Gründen der Einfachheit werden hier nur vier Ringe dargestellt. (Credits: Univ. of Wisconsin-Madison / S.Heinz)

Ein Forschungsteam unter Leitung von Sebastian Heinz von der University of Wisconsin in Madison analysierte 50 Swift-Beobachtungen des Systems zwischen dem 30. Juni und dem 25. August 2015, sowie Chandra-Beobachtungen vom 11. Juli und 25. Juli 2015. Es war ein derart helles Ereignis, dass die Techniker V404 Cygni absichtlich zwischen den Detektoren platzierten, so dass ein weiterer heller Ausbruch das Instrument nicht beschädigen würde.

Die Ringe verraten Astronomen nicht nur Etwas über das Verhalten des Schwarzen Lochs, sondern auch über die Landschaft zwischen V404 Cygni und der Erde. Beispielsweise offenbart der Durchmesser der Ringe im Röntgenbereich die Entfernungen zu den Staubwolken, von denen das Licht reflektiert wurde. Wenn die Wolke näher an der Erde liegt, erscheint der Ring größer und umgekehrt. Die Lichtechos erscheinen als schmale Ringe und nicht als breite Ringe oder Halos, weil der Röntgenausbruch nur eine relativ kurze Zeitperiode andauerte.

Die Forscher nutzten die Ringe auch, um die Eigenschaften der Staubwolken selbst zu untersuchen. Sie verglichen die Röntgenspektren (die Helligkeit der Röntgenstrahlung über einen Wellenlängenbereich hinweg) mit Computermodellen von Staub mit verschiedenen Zusammensetzungen. Unterschiedliche Zusammensetzungen des Staubs werden darin resultieren, dass verschiedene Mengen der energieärmeren Röntgenstrahlen absorbiert werden und mit Chandra nicht registriert werden können. Das Prinzip ist vergleichbar damit, wie verschiedene Teile unseres Körpers oder unser Gepäck unterschiedliche Mengen Röntgenstrahlung absorbieren, was Informationen über die Struktur und Zusammensetzung gibt.

Das Team stellte fest, dass der Staub höchstwahrscheinlich Gemische aus Graphit- und Silikatkörnchen enthält. Durch die Analyse der inneren Ringe fanden sie außerdem heraus, dass die Dichten der Staubwolken nicht in alle Richtungen gleich sind. Frühere Studien hatten vermutet, dass sie das nicht sind.

Eine Abhandlung, die die Ergebnisse zu V404 Cygni beschreibt, wurde am 1. Juli 2016 im Astrophysical Journal veröffentlicht. Die Autoren der Studie sind Sebastian Heinz und Lia Corrales (University of Michigan), Randall Smith (Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian), Niel Brandt (Pennsylvania State University), Peter Jonker (Netherlands Institute for Space Research), Richard Plotkin (University of Nevada, Reno) und Joey Neilson (Villanova University).

Dieses Ergebnis hängt mit einer vergleichbaren Entdeckung um das Röntgendoppelsternsystem Circinus X-1 zusammen, zu dem ein Neutronenstern statt eines Schwarzen Lochs gehört, veröffentlicht am 20. Juni 2015 in einer Studie im Astrophysical Journal. Diese Studie wurde ebenfalls von Heinz geleitet.

Es gibt mehrere Studien über die Ausbrüche von V404 Cygni, die die Ringe erschufen. Frühere Ausbrüche wurden in den Jahren 1938, 1956 und 1989 registriert.

Das Marshall Space Flight Center der NASA leitet das Chandra-Programm. Das Chandra X-ray Center am Smithsonian Astrophysical Observatory steuert die wissenschaftlichen Aspekte von Cambridge (Massachusetts) aus und die Flugoperationen aus Burlington (Massachusetts).

Quelle

(THK)

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