Astronomen brengen kolossale “schijfwinden” in Hercules X-1 in kaart
Hercules X-1 is een binair röntgensysteem waarin een neutronenster materiaal wegtrekt van een zonachtige ster. De accretieschijf van deze neutronenster is uniek omdat hij wiebelt terwijl hij roteert. Door gebruik te maken van deze schommeling hebben astronomen verschillende perspectieven van de roterende schijf vastgelegd en een 2D-kaart van de wind gemaakt.
Ondanks dat hun bestaan al tientallen jaren bekend is, wordt het aandrijfmechanisme van accretieschijfwinden nog steeds slecht begrepen.
In superzware zwarte gaten kunnen deze uitstromen zelfs krachtig genoeg zijn om de evolutie van het hele gaststelsel te dicteren, maar toe nu toe begrijpen astronomen niet of ze worden gelanceerd door stralingsdruk, magnetische krachten , thermische bestraling of een combinatie daarvan.
Aanwijzingen voor de oorsprong van een wind kunnen worden afgeleid uit zijn structuur, maar de vorm en omvang van schijfwinden is moeilijk op te lossen.
De meeste dubbelsterren produceren accretieschijven die relatief gelijkmatig van vorm zijn, zoals dunne donuts van gas die in een enkel vlak ronddraaien.
Astronomen die deze schijven bestuderen met behulp van satellieten of telescopen kunnen de effecten van schijfwinden alleen waarnemen binnen een vast en smal bereik ten opzichte van hun roterende schijf. Elke wind die astronomen weten te detecteren is daarom een klein stukje van zijn grotere structuur.
Volgens Dr. Peter Kosec, astronoom aan het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van het MIT kan men de eigenschappen van de winden alleen op één punt onderzoeken en zijn ze volledig blind voor alles rond dat punt.
In 2020 realiseerden Dr. Kosec en zijn collega’s zich dat Hercules X-1, een bijna edge-on röntgenbinaire systeem met een kromgetrokken accretieschijf die precesseert met een periode van ongeveer 35 dagen, een breder beeld van schijfwinden zou kunnen bieden.
De schijf van dit systeem wiebelt echt elke 35 dagen en de winden komen ergens uit de schijf en kruisen met de tijd onze gezichtslijn op verschillende hoogten boven de schijf.
Dat is een zeer unieke eigenschap van dit systeem waardoor men de verticale windeigenschappen beter kan begrijpen.
In hun nieuwe studie observeerden de astronomen Hercules X-1 met behulp van twee röntgentelescopen: de XMM Newton van de ESA en de Chandra röntgentelescoop van de NASA.
Dr. Kosec legt uit dat ze een röntgenspectrum meten. Dit betekent de hoeveelheid röntgenfotonen die hun detectoren bereiken versus hun energie. Ze meten de absorptielijnen oftewel het gebrek aan röntgenlicht op hele specifieke energieën.
Uit de verhouding hoe sterk de verschillende lijnen zijn kan men de temperatuur, snelheid en de hoeveelheid plasma in de schijfwind bepalen.
Met de vervormde schijf van Hercules X-1 konden de onderzoekers de lijn van de schijf op en neer zien bewegen terwijl hij wiebelde en draaide, net zoals een vervormde langspeelplaat lijkt te schommelen als je hem vanaf de zijkant bekijkt.
Het effect was zodanig dat zij tekenen van schijfwinden konden waarnemen op wisselende hoogten ten opzichte van de schijf, in plaats van op een enkele, vaste hoogte boven een uniform draaiende schijf.
Door de röntgenemissies en de absorptielijnen te meten terwijl de schijf in de loop van de tijd wiebelde en draaide, konden de astronomen eigenschappen zoals de temperatuur en de dichtheid van de winden op verschillende hoogten ten opzichte van de schijf aftasten en een twee dimensionale kaart maken van de verticale structuur van de wind.
Volgens Dr. Kosec zien ze dat de wind onder een hoek van ongeveer 12 graden ten opzichte van de schijf opstijgt terwijl hij in de ruimte uitdijt. De wind wordt ook kouder en klonteriger en zwakker p grotere hoogte boven de schijf.
Het team is nu van plan hun waarnemingen t vergelijken met theoretische simulaties van verschillende mechanismen om te zien welke het ontstaan van de wind het beste kunnen verklaren.
Verdere hopen de astronomen meer vervormde en wiebelende stelsels te vinden en hun schijfwindstructuren in kaart te brengen. Dan zouden ze een breder beeld kunnen krijgen van schijfwinden en hoe dergelijke uitstromingen hun omgeving beïnvloeden – met name op veel grotere schaal.
Zoals Dr. Erin Kara, astronoom aan het MIT zegt: “Hoe beïnvloeden superzware zwarte gaten de vorm en structuur van sterrenstelsels?” Een van de belangrijkste hypotheses stelt dat de schijfwinden, gelanceerd vanuit een zwart gat, van invloed kunnen zijn op hoe sterrenstelsels eruit zien.
Astronomen kunnen nu een gedetailleerder beeld krijgen van hoe deze winden worden opgewekt en hoe ze eruit zien.
De bevindingen zijn in het tijdschrift Astronomy Nature gepubliceerd.
Artikel: P. Kosec et al. Vertical wind structure in an X-ray binary revealed by a precessing accretion disk. Nat Astron, published online April 10, 2023; doi: 10.1038/s41550-023-01929-7
Eerste publicatie: 15 april 2023
Bron: sci-news
