Insight-HXMT, El primer satélite astronómico espacial de rayos X de China, ha descubierto una oscilación cuasiperiódica de baja frecuencia (QPO) por encima de 200 kiloelectrones voltios (keV) en un binario de agujero negro, lo que lo convierte en el QPO de baja frecuencia de mayor energía jamás encontrado. Los científicos también encontraron que el QPO se originó a partir de la precesión de un chorro relativista (corriente de plasma de alta velocidad que se mueve hacia afuera) cerca del horizonte de eventos del agujero negro. Estos descubrimientos tienen implicaciones importantes para resolver el debate de larga data sobre el origen físico de los QPO de baja frecuencia.

Este trabajo, publicado en línea en Astronomía de la naturaleza el 21 de septiembre fue realizado principalmente por científicos del Instituto de Física de Altas Energías (IHEP) de la Academia China de Ciencias (CAS), la Universidad de Southampton (Reino Unido), Universidad Eberhard Karls de Tübingen (Alemania), y el Observatorio Astronómico de Shanghai de CAS.

QPO de baja frecuencia, descubierto en la década de 1980, son una característica de sincronización de observación común en binarios de agujeros negros transitorios. Son cuasiperiódicos, pero no precisamente periódico, modulaciones en curvas de luz. Durante más de 30 años, no se entendió el origen de los QPO de baja frecuencia. Los dos modelos más populares que explican su origen son:1) las oscilaciones son causadas por la inestabilidad del disco de acreción cuando la materia gira y finalmente cae en el agujero negro; y 2) las modulaciones de rayos X cuasi-periódicas son producidas por la oscilación o precesión de la región coronal emisora ​​de rayos X cercana al agujero negro.

Antes de la era de Insight-HXMT, Los satélites de rayos X solo podían detectar y estudiar QPO de baja frecuencia por debajo de 30 keV; por lo tanto, fue difícil probar estos modelos. Insight-HXMT, a diferencia de, tiene un amplio rango de energía efectiva de 1-250 keV y tiene el área efectiva más grande por encima de 30 keV. Por lo tanto, después del lanzamiento de Insight-HXMT, Los científicos esperaban que detectara QPO ricos de baja frecuencia por encima de 30 keV, y así poder probar completamente modelos anteriores.

El nuevo binario de rayos X de agujero negro MAXI J1820 + 070, que consiste en un agujero negro de varias masas solares y una estrella compañera, comenzó a sufrir un arrebato el 11 de marzo, 2018. Ha sido una de las fuentes de rayos X más brillantes del cielo durante mucho tiempo. Insight-HXMT respondió rápidamente y realizó observaciones de alta cadencia en esta fuente durante varios meses, acumulando una gran cantidad de datos de observación.

Con base en estos datos, los científicos encontraron que el QPO de baja frecuencia de MAXI J1820 + 070 apareció en un amplio rango de energía y su energía de detección máxima excedió los 200 keV, que es casi un orden de magnitud más alto que los QPO anteriores observados por otros telescopios, lo que indica que el QPO no podría provenir de la región de radiación térmica del disco de acreción. Estudios posteriores revelaron que la frecuencia y la amplitud de variabilidad del QPO son independientes de la energía y el QPO de alta energía precede al de baja energía.

Estos resultados entraron en conflicto sin ambigüedades con la mayoría de los modelos existentes en la actualidad. Por lo tanto, los científicos propusieron que el QPO de baja frecuencia se produjo por la precesión de un chorro cerca del horizonte de sucesos del agujero negro; la precesión probablemente fue causada por el efecto de arrastre del marco de la relatividad general, generado por la rotación del agujero negro.

Los chorros son corrientes de materia de alta velocidad que se mueven a una velocidad cercana a la de la luz. Se han observado muchos chorros en binarios de agujeros negros y cuásares distantes que albergan agujeros negros supermasivos (es decir, los de millones a decenas de miles de millones de masas solares) en la radio, bandas ópticas y de rayos X. Los chorros son una característica de observación importante de los sistemas de agujeros negros, y son el principal medio por el cual los agujeros negros influyen en el entorno circundante a través de la retroalimentación al tragar materia cercana.

Sin embargo, estos chorros están lejos de los agujeros negros. Por lo general, se encuentran a una distancia de más de un millón de veces el horizonte de eventos del agujero negro. A una distancia tan larga La fuerza gravitacional del agujero negro en realidad no tiene ningún efecto. Por lo tanto, no está claro dónde se generan estos chorros, qué tan lejos están de los agujeros negros, cómo pueden escapar del fuerte campo gravitacional de los agujeros negros y cómo se aceleran a una velocidad cercana a la velocidad de la luz.

El descubrimiento de Insight-HXMT es particularmente importante porque es la primera vez que se encuentra un chorro a solo cientos de kilómetros de un agujero negro (es decir, varias veces el horizonte de sucesos del agujero negro). Como el chorro relativista más cercano observado en un agujero negro hasta ahora, el hallazgo es de gran importancia para estudiar los efectos relativistas, Procesos dinámicos y mecanismos de radiación.