Insight-HXMT, Il primo satellite astronomico spaziale a raggi X della Cina, ha scoperto un'oscillazione quasi periodica a bassa frequenza (QPO) sopra i 200 kiloelettronvolt (keV) in una binaria di buchi neri, rendendolo il QPO a bassa frequenza con la più alta energia mai trovato. Gli scienziati hanno anche scoperto che il QPO ha avuto origine dalla precessione di un getto relativistico (flusso di plasma che si muove verso l'esterno ad alta velocità) vicino all'orizzonte degli eventi del buco nero. Queste scoperte hanno importanti implicazioni per risolvere il lungo dibattito sull'origine fisica dei QPO a bassa frequenza.

Questo lavoro, pubblicato online in Astronomia della natura il 21 settembre, è stato condotto principalmente da scienziati dell'Istituto di fisica delle alte energie (IHEP) dell'Accademia cinese delle scienze (CAS), l'Università di Southampton (Regno Unito), Eberhard Karls Università di Tubinga (Germania), e l'Osservatorio Astronomico di Shanghai del CAS.

QPO a bassa frequenza, scoperto negli anni '80, sono una caratteristica comune dei tempi di osservazione nelle binarie transitorie dei buchi neri. Sono quasi periodici, ma non proprio periodico, modulazioni nelle curve di luce. Da più di 30 anni, l'origine dei QPO a bassa frequenza non è stata compresa. I due modelli più popolari che spiegano la loro origine sono:1) le oscillazioni sono causate dall'instabilità del disco di accrescimento quando la materia ruota intorno e infine cade nel buco nero; e 2) le modulazioni di raggi X quasi-periodiche sono prodotte dall'oscillazione o precessione della regione di emissione di raggi X coronale vicino al buco nero.

Prima dell'era di Insight-HXMT, I satelliti a raggi X potevano solo rilevare e studiare QPO a bassa frequenza inferiori a 30 keV; così, è stato difficile testare questi modelli. Insight-HXMT, in contrasto, ha un'ampia gamma di energia effettiva di 1-250 keV e ha la più grande area effettiva sopra i 30 keV. Perciò, dopo il lancio di Insight-HXMT, gli scienziati si aspettavano che avrebbe rilevato ricchi QPO a bassa frequenza superiori a 30 keV, e quindi essere in grado di testare completamente i modelli precedenti.

Il nuovo buco nero binario a raggi X MAXI J1820+070, costituito da un buco nero di diverse masse solari e una stella compagna, ha iniziato a subire uno sfogo l'11 marzo 2018. È stata per molto tempo una delle sorgenti di raggi X più luminose nel cielo. Insight-HXMT ha risposto rapidamente ed ha eseguito osservazioni di puntamento ad alta cadenza su questa fonte per diversi mesi, accumulando un'enorme quantità di dati osservativi.

Sulla base di questi dati, gli scienziati hanno scoperto che il QPO a bassa frequenza di MAXI J1820+070 è apparso in un ampio intervallo di energia e la sua massima energia di rilevamento ha superato i 200 keV, che è quasi un ordine di grandezza superiore rispetto ai precedenti QPO osservati da altri telescopi, indicando che la QPO non potrebbe provenire dalla regione di radiazione termica del disco di accrescimento. Ulteriori studi hanno rivelato che la frequenza e l'ampiezza della variabilità della QPO sono indipendenti dall'energia e che la QPO ad alta energia precede quella a bassa energia.

Questi risultati erano inequivocabilmente in conflitto con la maggior parte dei modelli attualmente esistenti. Perciò, gli scienziati hanno proposto che la QPO a bassa frequenza fosse prodotta dalla precessione di un getto vicino all'orizzonte degli eventi del buco nero; la precessione è stata probabilmente causata dall'effetto frame-dragging della relatività generale, generato dalla rotazione del buco nero.

I getti sono flussi di materia ad alta velocità che si muovono vicino alla velocità della luce. Sono stati osservati molti getti nelle binarie dei buchi neri e nei quasar distanti che ospitano buchi neri supermassicci (cioè, quelle da milioni a decine di miliardi di masse solari) nella radio, bande ottiche e radiografiche. I getti sono un'importante caratteristica osservativa dei sistemi di buchi neri, e sono i principali mezzi con cui i buchi neri influenzano l'ambiente circostante tramite feedback quando ingeriscono la materia vicina.

Però, questi getti sono lontani dai buchi neri. Di solito si trovano a una distanza di oltre un milione di volte l'orizzonte degli eventi del buco nero. A così lunga distanza, la forza gravitazionale del buco nero in realtà non ha alcun effetto. Perciò, non è chiaro dove vengono generati questi getti, quanto sono lontani dai buchi neri, come possono sfuggire al forte campo gravitazionale dei buchi neri e come vengono accelerati a una velocità prossima a quella della luce.

La scoperta di Insight-HXMT è particolarmente importante perché è la prima volta che un getto viene trovato a sole centinaia di chilometri da un buco nero (cioè, più volte l'orizzonte degli eventi del buco nero). Come il getto relativistico più vicino osservato finora in un buco nero, la scoperta è di grande importanza per lo studio degli effetti relativistici, processi dinamici e meccanismi di radiazione.