Czarne dziury zakrzywiają nasze rozumienie Wszechświata i praw fizyki. Gdy czarna dziura obraca się, ciągnie wokół siebie otaczającą przestrzeń i daje astronomom okazję do przestudiowania niektórych prognoz Einsteina dotyczących względności.
Istnienie czarnych dziur jest być może najbardziej fascynującą prognozą ogólnej teorii względności Einsteina. Kiedy jakakolwiek masa, taka jak gwiazda, staje się bardziej zwarta niż pewna granica, jej grawitacja staje się tak silna, że obiekt zapada się w pojedynczy punkt, czarną dziurę. W powszechnym odczuciu ta ogromna studnia grawitacyjna jest miejscem, w którym dzieją się dziwne rzeczy. A teraz zespół kierowany przez Centrum Astrofizyki zmierzył czarną dziurę o masie gwiazdowej tak szybko wirującą - obracającą się ponad 950 razy na sekundę - że przesuwa przewidywane ograniczenie prędkości obrotowej.
„Powiedziałbym, że ten reżim grawitacyjny jest tak samo daleki od bezpośredniego doświadczenia i wiedzy jak sam świat subatomowy”, mówi astronom CfA Jeffrey McClintock.
Stosując technikę pomiaru spinu opracowaną wspólnie przez astrofizyka McClintocka i CfA Ramesha Narayana, zespół wykorzystał dane satelitarne Rossi X-ray Timing Explorer NASA, aby zapewnić najbardziej bezpośrednie jak dotąd określenie spinu czarnej dziury.
McClintock i Narayan kierowali międzynarodową grupą składającą się z Rebecca Shafee z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Harvarda; Ronald Remillard, Kavli Center for Astrophysics and Space Research, MIT; Shane Davis, University of California, Santa Barbara i Li-Xin Li, Max-Planck Institute for Astrophysics, Niemcy, w tych badaniach. Wyniki zostały opublikowane w dzisiejszym numerze Astrophysical Journal.
„Mamy teraz dokładne wartości prędkości wirowania trzech czarnych dziur”, mówi McClintock. „Najbardziej ekscytujący jest nasz wynik dla mikrokwazara GRS1915 + 105, który ma obrót między 82% a 100% teoretycznej maksymalnej wartości.”
„Ten wynik ma poważne implikacje dla wyjaśnienia, w jaki sposób czarne dziury emitują strumienie, modelowania możliwych źródeł rozbłysków gamma oraz wykrywania fal grawitacyjnych”, mówi teoretyk Narayan.
Dlaczego astronomom zależy na spinie?
„W astronomii czarna dziura jest całkowicie opisana tylko przez dwie liczby, które określają jej masę i szybkość jej obrotu”, mówi McClintock. „Nie znamy nic prostszego niż podstawowa cząstka, taka jak elektron lub kwark”.
Chociaż astronomom udało się zmierzyć masę czarnej dziury, znacznie trudniej było zmierzyć drugi podstawowy parametr czarnej dziury, jej spin.
„Rzeczywiście, do tego roku nie było wiarygodnych szacunków spinu dla czarnej dziury”, mówi Narayan.
Grawitacja czarnej dziury jest tak silna, że gdy czarna dziura obraca się, ciągnie otaczającą ją przestrzeń. Krawędź tej wirującej dziury nazywa się horyzontem zdarzeń. Wszelkie materiały przekraczające horyzont zdarzeń są wciągane do czarnej dziury.
„Mierzona przez nas częstotliwość wirowania czarnej dziury to szybkość, z jaką czasoprzestrzeń wiruje lub jest przeciągana bezpośrednio na horyzoncie zdarzeń czarnej dziury”, mówi Narayan.
Szybka czarna dziura, GRS 1915, jest najbardziej masywną z 20 podwójnych czarnych dziur rentgenowskich, dla których obecnie znane są masy, ważące około 14 razy więcej niż Słońce. Jest dobrze znany z unikalnych właściwości, takich jak wyrzucanie strumieni materii przy prędkości niemal światła i szybkie zmiany emisji promieniowania rentgenowskiego.
W ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci w binarnych systemach rentgenowskich odkryto dziesiątki czarnych dziur. Rentgenowski układ podwójny to układ, w którym dwa obiekty krążą wokół siebie, a gaz z jednej - normalnej gwiazdy takiej jak Słońce - jest przenoszony równomiernie na drugą - w tym przypadku z czarnej dziury. Gaz przemieszcza się spiralnie do czarnej dziury w procesie zwanym akrecją. Podczas spirali nagrzewa się do milionów stopni i promieniuje promieniami rentgenowskimi. Zespół wykorzystał widmo rentgenowskie dysku akrecyjnego czarnej dziury, aby określić jego obrót.
Technika ta opiera się na kluczowym przewidywaniu teorii względności: gaz, który gromadzi się na czarnej dziurze, promieniuje tylko do pewnego promienia, który leży poza czarną dziurą - poza horyzontem zdarzeń. W tym promieniu gaz zbyt szybko wpada do otworu, aby wytworzyć duże promieniowanie. Promień krytyczny zależy od spinu czarnej dziury, więc pomiar tego promienia zapewnia bezpośrednie oszacowanie spinu. Im mniejszy jest promień, tym cieplejsze są promienie rentgenowskie emitowane z dysku. Temperatura promieni rentgenowskich w połączeniu z jasnością promieni rentgenowskich daje promień, który z kolei daje szybkość wirowania czarnej dziury.
„Naprawdę fajnie jest mierzyć coś tak fundamentalnego”, mówi Rebecca Shafee, absolwentka Wydziału Fizyki Uniwersytetu Harvarda. „Nasza metoda jest bardzo prosta w koncepcji i łatwa do zrozumienia. Jesteśmy naprawdę szczęśliwi, że mamy potężne obserwatoria rentgenowskie, takie jak Rossi X-ray Timing Explorer w kosmosie i teleskopy na Ziemi do przeprowadzania potrzebnych pomiarów. ”
Poszukiwaniu przyczyny rozbłysków gamma, które mogą być przez chwilę najjaśniejszym błyskiem we wszechświecie, mogą pomóc wyniki zespołu. Teoretyczny astrofizyk Stan Woosley z University of California, Santa Cruz, modelował wybuchy promieniowania gamma w oparciu o zapadnięcie się masywnej gwiazdy. Modele te zależą jednak od istnienia czarnych dziur o bardzo wysokim spinie, co do tej pory nigdy nie zostało potwierdzone.
„Jest to niezwykle ważne” - mówi Woosley. „Nie miałem pojęcia, że takich pomiarów można dokonać”.
W artykule stwierdzono, że GRS 1915 i pozostałe dwie czarne dziury badane przez zespół urodziły się z wysokimi spinami. Oznacza to, że zapadający się rdzeń oryginalnej masywnej gwiazdy wylał pęd kątowy w czarną dziurę.
„Od czasu, gdy społeczność wiele lat temu nauczyła się, jak mierzyć masę czarnej dziury, mierzenie spinu było świętym graalem na tym polu”, mówi McClintock. „Technikę zastosowaną w GRS 1915 można zastosować do szeregu innych plików binarnych rentgenowskich czarnej dziury. Nie możemy się doczekać, aby zobaczyć, co znajdziemy! ”
„Jedną z naszych ulubionych nadziei jest to, że badane przez nas systemy czarnych dziur będą również badane przez inne grupy przy użyciu ich ulubionych metod pomiaru spinu”, mówi Narayan. „Gdy te inne metody będą dalej rozwijane i stają się bardziej wiarygodne, porównanie krzyżowe wyników różnych metod byłoby najbardziej interesujące.”
Oryginalne źródło: CfA News Release
