Neue Erkenntnisse zum Verhalten von Schwarzen Löchern aus IGR J17091-3624

Schwarze Loch Röntgenbinärsysteme (BHXRBs) sind Systeme, in denen ein schwarzes Loch Materie von einem Begleitstern anzieht. Diese Systeme können über die Zeit Veränderungen in der Helligkeit und anderen Eigenschaften zeigen. Ein interessantes Verhalten ist die "Herzschlag"-Variabilität, bei der die Helligkeit der Röntgenstrahlen in einer strukturierten Weise schwankt, die einem Herzschlag ähnelt. Diese Studie konzentriert sich auf ein bestimmtes schwarzes Loch, IGR J17091-3624, das während eines kürzlichen Ausbruchs im Jahr 2022 diese Art von Variabilität gezeigt hat.

#Beobachtungen und Daten

Während des Ausbruchs im März 2022 haben Forscher zwei wichtige Werkzeuge, NICER und NuSTAR, verwendet, um IGR J17091-3624 zu beobachten. NICER ist ein Teleskop, das auf der Internationalen Raumstation steht und Röntgenstrahlen aus dem weichen Bereich erfasst, während NuSTAR sich auf hochenergetische Röntgenstrahlen konzentriert. Das Team führte fast tägliche Beobachtungen von Ende März bis August 2022 durch und identifizierte zwei Klassen von "Herzschlag"-Variabilität in den Daten.

#Variabilitätsklassen

Die Analyse ergab zwei Arten von "Herzschlag"-ähnlichen Mustern während des Ausbruchs. Eine davon, Klasse 5, wurde zuvor während eines früheren Ausbruchs im Jahr 2011 beobachtet. Sie zeigte scharfe, hochamplitudige Ausbrüche mit variierenden Abständen dazwischen. Der neue Typ, Klasse 10, war durch sanfte und symmetrische Ausbrüche gekennzeichnet. Diese Studie konzentrierte sich hauptsächlich auf die Klasse 10 Variabilität.

#Timing-Analyse

Die Forscher schauten sich das Timing der Röntgenemissionen an, um die Muster besser zu verstehen. Sie fanden heraus, dass die Lichtkurven von NICER und NuSTAR starke und strukturierte Variabilität zeigten. Die spezifischen Zeiten oder Wiederholungszeiten der Ausbrüche variieren erheblich, wobei einige zusätzliche kleinere Ausbrüche neben den grösseren auftraten.

Um diese Variabilität zu analysieren, verwendete das Team eine Methode namens Hilbert-Huang-Transformation (HHT). Diese Technik half dabei, das einzigartige "Herzschlag"-Merkmal innerhalb der Daten zu isolieren.

#Spektralanalyse

Die Spektralanalyse beinhaltet das Studium der Energielevels der Röntgenstrahlen, um Informationen über die Quelle zu gewinnen. Die Forscher passten die gesammelten Daten an verschiedene Modelle an, um die Emissionsprozesse zu verstehen. Sie beobachteten bemerkenswerte Variationen in den emittierten Röntgenstrahlen von IGR J17091-3624 während der Ausbrüche, insbesondere in der Scheibentemperatur und dem Scheibenfluss. Die Studie deutete darauf hin, dass das Verhalten des schwarzen Lochs hauptsächlich von Veränderungen in der Akkretionsscheibe getrieben wurde, in die Material ins schwarze Loch fällt.

#Ergebnisse der Analyse

Die Ergebnisse zeigten eine Korrelation zwischen Scheibentemperatur und Fluss während der Ausbruchszyklen. Diese Korrelation unterschied sich von bisherigen Beobachtungen der "Herzschlag"-Variabilität in anderen Systemen, was darauf hindeutet, dass unterschiedliche physikalische Prozesse am Werk sein könnten.

Die Forscher bemerkten auch einen Rückgang der hochenergetischen Röntgenemissionen während der Spitzenzeiten der Ausbrüche, was einen signifikanten Rückgang von etwa 75% im Vergleich zu niedrigeren Energiephasen darstellte. Dieser Rückgang war in mehreren Beobachtungen konsistent.

#Ausbruchsdynamik

Während der Ausbrüche änderten sich die Scheibentemperatur und der Fluss synchron mit der Zählrate der Röntgenstrahlen. Dieses Verhalten deutete darauf hin, dass die "Herzschlag"-ähnliche Variabilität hauptsächlich von der Instabilität der Akkretionsscheibe stammte.

Die Studie betonte die Beziehung zwischen spektralen Parametern und dem Gesamtfluss. Durch die Auswertung von Daten aus einem breiten Energiebereich konnten die Forscher erkennen, wie die Röntgenemissionen durch verschiedene Phasen der Ausbrüche variierten.

#Vergleiche mit anderen Systemen

IGR J17091-3624 und ein anderes schwarzes Loch, GRS 1915+105, sind in ihrer Variabilität einzigartig. Während beide ähnliche strukturierte Ausbrüche zeigen können, zeigte die neue Klasse 10 Variabilität ein höheres Mass an Symmetrie und Uniformität. Die Unterschiede im Ausbruchverhalten zwischen diesen Systemen deuten auf unterschiedliche zugrunde liegende Prozesse hin.

#Diskussion der Ergebnisse

Die Forschungsergebnisse deuteten darauf hin, dass die "Herzschlag"-ähnliche Variabilität von Instabilitäten des Strahlungsdrucks beeinflusst wird, die bei hohen Luminositäten auftreten. Solche Instabilitäten in der Akkretionsscheibe könnten zu erheblichen Veränderungen in den beobachteten Emissionen führen.

Die Studie hebt auch einige Diskrepanzen in der spektralen Modellierung hervor und weist auf verschiedene Faktoren hin, die die beobachteten Emissionen beeinflussen. Während die Forscher weiterhin die Beiträge der Scheibe und der nicht-thermischen Komponenten analysierten, zeigten sie, dass Variationen in der Akkretionsscheibe und in der Korona, einer äusseren Schicht aus heissem Plasma, die die Scheibe umgibt, entscheidend sind, um die Änderungen in der Helligkeit zu verstehen.

#Zukünftige Richtungen

Um die Phänomene, die bei IGR J17091-3624 beobachtet wurden, weiter zu untersuchen, wird es wichtig sein, die Verbindungen zwischen der Akkretionsscheibe und der Korona detaillierter zu studieren. Der Einsatz fortschrittlicher Beobachtungstechniken und zukünftiger Missionen könnte helfen, diese Beziehungen zu klären.

#Fazit

Zusammenfassend hat diese detaillierte Analyse der "Herzschlag"-ähnlichen Variabilität von IGR J17091-3624 während seines Ausbruchs 2022 wichtige Einblicke in das Verhalten von Röntgenbinärsystemen mit schwarzen Löchern enthüllt. Die Entdeckung der Klasse 10 Variabilität, zusammen mit ihren einzigartigen Eigenschaften, bereichert das Verständnis, wie diese komplexen Systeme funktionieren. Zukünftige Studien, die ein breiteres Spektrum an Beobachtungen einbeziehen und die physikalischen Eigenschaften tiefer untersuchen, könnten weitere Durchbrüche im Verständnis von schwarzen Löchern und deren Wechselwirkungen mit umgebendem Material bringen.