Nuove osservazioni del buco nero MAXI J1803 298

Il 1 maggio 2021, un sistema binario di raggi X con un buco nero chiamato MAXI J1803 298 è stato trovato attivo dopo un lungo periodo di quiete. Questa scoperta è avvenuta quando il sistema ha mostrato un improvviso aumento di luminosità, noto come un'esplosione. Man mano che diventava più luminoso, gli scienziati hanno osservato comportamenti interessanti, come cali periodici di luminosità e cambiamenti nei tipi di raggi X emessi. Questi cambiamenti suggeriscono che il buco nero era in uno stato "hard", che è uno dei modi in cui i Buchi Neri possono attirare materia.

Vicino al picco della sua esplosione, gli scienziati hanno condotto una osservazione speciale per raccogliere più informazioni su questo buco nero usando un telescopio chiamato NuSTAR. Questa osservazione è iniziata il 13 maggio 2021, quando il sistema era entrato in uno stato intermedio, che si trova tra gli stati "hard" e "soft". MAXI J1803 298 ha mostrato diversi livelli di luminosità in quel periodo, e gli scienziati hanno analizzato i dati per comprendere meglio questi cambiamenti.

Durante l'osservazione, gli scienziati hanno trovato due possibili segnali chiamati Oscillazioni quasi-periodiche (QPO) nei modelli di luminosità dei raggi X. Questi segnali sono stati visti solo quando la luminosità era più bassa, suggerendo che fossero legati a come il buco nero stava attirando materia. Hanno misurato questi segnali a frequenze specifiche, che indicavano che non erano semplicemente multipli l'uno dell'altro.

Oltre alle oscillazioni, hanno rilevato chiari segni di riflessione nella luce a raggi X proveniente dal buco nero. Studiando come la luce veniva riflessa, speravano di imparare di più sul disco di materiale che circonda il buco nero. Questa riflessione aiuta gli scienziati a capire la forma e la struttura di quel disco, e come il buco nero interagisce con esso.

Usando vari modelli per analizzare la luce riflessa, i ricercatori hanno trovato forti indicazioni che il buco nero ruota molto velocemente e che l'angolo del disco è di circa 75 gradi. Hanno anche notato una caratteristica di assorbimento nello spettro dei raggi X, che potrebbe suggerire la presenza di un vento proveniente dal disco di materiale.

#La natura dei binari di raggi X con buchi neri

I binari di raggi X con buchi neri sono sistemi dove un buco nero attrae materiale da una stella compagna vicina. Quando il materiale cade nel buco nero, si riscalda ed emette raggi X, che possiamo osservare. Ci sono molti binari di raggi X con buchi neri noti nella nostra galassia, ma ce ne potrebbero essere molti altri che rimangono nascosti quando non stanno attivamente attirando materia.

Questi sistemi vengono spesso scoperti durante le esplosioni, che avvengono quando il tasso di alimentazione del buco nero aumenta improvvisamente. La luminosità del sistema può aumentare drasticamente, rendendo più facile la rilevazione. Durante un'esplosione, un buco nero può passare attraverso vari stati, ciascuno caratterizzato da diversi modelli di luce emessa.

Tipicamente, queste transizioni iniziano in uno stato "hard", dove i raggi X emessi sono principalmente una legge di potenza, e si pensa che il disco sia troncato a una certa distanza dal buco nero. Mentre l'esplosione continua, il sistema spesso passa a uno stato intermedio, dove sono presenti sia i raggi X "hard" che la radiazione termica dal disco. Alla fine, il sistema può entrare in uno stato "soft", dominato interamente dalla radiazione termica.

#Osservazioni di MAXI J1803 298

MAXI J1803 298 ha subito una significativa esplosione a partire da maggio 2021. Le osservazioni iniziali indicavano che era in uno stato "hard". Man mano che l'esplosione progrediva, il sistema si è spostato in uno stato intermedio, che ha continuato a aumentare di luminosità fino a raggiungere il picco il 16 maggio.

Durante la sua attività di picco, gli scienziati hanno utilizzato NuSTAR per raccogliere dati per un periodo di circa due giorni. I dati raccolti includevano curve di luce, che mostrano come la luminosità è cambiata nel tempo, e analisi spettrali, che rivelano i diversi tipi di raggi X emessi.

La curva di luce indicava periodi di alta e bassa intensità, e gli scienziati si sono concentrati sull'analisi dei dati dall'osservazione con il tasso di conteggio più alto. Dividendo i dati in intervalli di alta e bassa intensità, speravano di vedere come il comportamento del buco nero cambiava con la luminosità.

#Analisi di variabilità e tempistica

L'analisi temporale ha rivelato che MAXI J1803 mostrava una variabilità limitata su scale temporali brevi. Gli scienziati hanno calcolato uno spettro di densità di potenza (PDS) sia per gli intervalli di alta che di bassa intensità. L'analisi ha indicato che l'intervallo di bassa intensità mostrava due potenziali QPO, osservati come picchi distinti nello spettro.

Questi QPO suggeriscono una sorta di comportamento ritmico nel sistema del buco nero, che si pensa sia legato alla dinamica del materiale che cade nel buco nero. Anche se i segnali non erano molto pronunciati, la loro presenza è significativa e indica attività nel sistema.

Prima delle osservazioni di NuSTAR, altri strumenti avevano rilevato un QPO di tipo C in MAXI J1803, che è evoluto in frequenza man mano che il sistema cambiava stato. I ricercatori hanno anche notato che i QPO che hanno rilevato nei segmenti di bassa intensità potrebbero essere legati a un QPO di tipo B, che ha caratteristiche distintive osservate in altri sistemi simili.

#Analisi spettrale e modellazione della riflessione

Il passo successivo nell'analisi è stato interpretare lo spettro a raggi X di MAXI J1803. I ricercatori hanno iniziato a adattare lo spettro con un modello di base che combinava diverse fonti di luce. Tuttavia, questo modello non si adattava bene ai dati, in particolare nella regione intorno a 6-7 keV, dove si aspettavano di vedere caratteristiche di riflessione.

Per tenere conto della riflessione dal disco, hanno utilizzato modelli più complessi che includevano gli effetti del moto relativistico vicino al buco nero. Questi modelli consentono agli scienziati di analizzare come le proprietà del disco influenzano la luce emessa.

I risultati hanno mostrato che lo spettro include una caratteristica di ampia linea di ferro, che è un segno distintivo di riflessione. I ricercatori hanno testato diverse versioni dei modelli di riflessione per vedere quale fornisse il miglior adattamento ai dati. Hanno scoperto che i modelli di riflessione ad alta densità fornivano risultati migliori, suggerendo che le condizioni nel disco di accrescimento potrebbero essere abbastanza diverse da quelle normalmente assunte.

#L'importanza della rotazione del buco nero e della geometria di accrescimento

Un aspetto importante nello studio dei buchi neri è comprendere la loro rotazione, poiché può fornire informazioni sulla loro formazione ed evoluzione. La rotazione di un buco nero influisce sul bordo interno del disco di accrescimento e, quindi, sulla luce risultante che osserviamo. Misurando le proprietà della luce riflessa, gli scienziati possono stimare la rotazione e altri parametri geometrici del sistema.

Nella loro modellazione, i ricercatori hanno trovato prove che suggeriscono che MAXI J1803 ha un buco nero a rapida rotazione. Inoltre, hanno stabilito che l'inclinazione del disco è alta, coerente con le osservazioni precedenti delle cadute di assorbimento nella curva di luce.

I risultati hanno indicato che il disco di accrescimento si estende vicino al buco nero, ma non così vicino da oscurare pesantemente la luce. Queste informazioni sono vitali per comprendere la natura fondamentale dei sistemi di buchi neri e come interagiscono con il loro ambiente.

#Potenziali venti e flussi del disco

Nella loro analisi, i ricercatori hanno anche rilevato una caratteristica di assorbimento stretta, probabilmente collegata a un vento del disco. I Venti del disco si verificano quando il materiale viene espulso dal disco di accrescimento. Questi venti possono fornire indizi vitali sulle condizioni fisiche presenti nelle vicinanze del buco nero.

La linea di assorbimento osservata indicava materiale in espulsione significativa, potenzialmente a causa dell'alta energia dell'ambiente attorno al buco nero. Il vento probabilmente ha velocità elevate, indicando forti dinamiche in gioco.

L'indagine sui venti del disco aumenta la nostra conoscenza di come i buchi neri possano influenzare il loro ambiente e come il materiale venga non solo attirato, ma anche espulso. Le osservazioni da diverse prospettive aiutano a costruire un quadro più chiaro dei processi drammatici che avvengono in questi potenti sistemi.

#Conclusione

Lo studio di MAXI J1803 298 fornisce importanti informazioni sulla natura dei binari di raggi X con buchi neri. I risultati suggeriscono un buco nero a rapida rotazione all'interno di un disco di accrescimento ad alta densità. La presenza di potenziali segnali QPO indica un comportamento dinamico all'interno del sistema, mentre l'analisi della riflessione svela il funzionamento interno del disco di accrescimento.

Inoltre, la possibile rilevazione di un vento del disco evidenzia le complesse interazioni tra il buco nero e il suo ambiente. Man mano che gli scienziati continuano a studiare buchi neri come MAXI J1803, raccolgono più informazioni su questi sistemi affascinanti, contribuendo alla nostra comprensione dell'universo e dei suoi processi fondamentali.

La ricerca in corso sui sistemi di buchi neri rimane fondamentale, poiché arricchisce la nostra comprensione dei fenomeni cosmici e aiuta a chiarire come i buchi neri influenzino l'evoluzione di stelle, galassie e dell'universo stesso.