Astronomowie zmierzyli prędkość rotacji supermasywnej czarnej dziury

Po raz pierwszy udało się obliczyć prędkość wirowania czarnej dziury. Dokonał tego zespół naukowców, w którego składzie znalazły się prof. Bożena Czerny i prof. Agnieszka Janiuk z Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk. Badaniami grupy kierował dr Dheeraj Pasham z Massachusetts Institute of Technology (MIT), a opis i rezultaty badań ukazały się na łamach pisma "Nature".

Metoda, za pomocą której dokonano obliczeń, opiera się zjawisku tzw. rozerwania pływowego (z j. ang. tidal disruption event, TDE). Gdy gwiazda zanadto zbliży się do czarnej dziury, zostaje rozerwana na kawałki. Dzieje się tak, ponieważ przyciąganie grawitacyjne oddziałujące na bliższy czarnej dziurze koniec obiektu jest znacznie silniejsze niż na jego drugim końcu. W efekcie obiekt jest rozciągany jak makaron spaghetti, a proces ten astrofizycy nazywają spaghettifikacją.

Gdy gwiazda zostaje rozerwana przez ogromne siły pływowe czarnej dziury, część jej materii zostaje wyrzucona w przestrzeń, a z pozostałego gruzu tworzy się wokół czarnej dziury gorący dysk akrecyjny. Sama czarna dziura nie emituje ani nie odbija światła, ale to powstałe w dysku akrecyjnym jest doskonale widoczne.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Chwianie się czy chybotanie się nowo utworzonego dysku akrecyjnego okazało się kluczem do ustalenia rotacji czarnej dziury. Naukowcy dokonali przełomowych ustaleń śledząc wzór rozbłysków promieniowania rentgenowskiego wytwarzanych bezpośrednio po zdarzeniu rozerwania pływowego.

Badacze obserwowali emisje promieniowania z okolic supermasywnej czarnej dziury przez kilka miesięcy. Uznali, że są one prawdopodobnie sygnałem płynącym właśnie z jasnego, gorącego dysku akrecyjnego. Rotująca czarna dziura wpływa na dysk akrecyjny, powodujące jego kołysanie. To chybotanie ustępuje, gdy dysk osiąga prędkość rotacji czarnej dziury, ale zanim ustąpi, może przydać się do pomiarów rotacji czarnej dziury.

Śledząc zmiany wahań dysku w czasie, naukowcy mogli ustalić, w jakim stopniu wirowanie czarnej dziury wpływa na dysk, a co za tym idzie, jak szybko wiruje sama czarna dziura. Ich analiza wykazała, że ​​badana czarna dziura wiruje z prędkością mniejszą niż 25 procent prędkości światła, czyli stosunkowo wolno, jak na czarne dziury.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Nową metodę można będzie wykorzystać do pomiaru rotacji setek czarnych dziur. Ustalenie tempa obrotu pobliskich czarnych dziur może pozwolić na lepsze zrozumienie ewolucji tych obiektów. - Badając tą metodą kilka układów w nadchodzących latach, astronomowie będą mogli oszacować ogólny rozkład rotacji czarnych dziur i spróbować odpowiedzieć na pytanie, jak ewoluują one w czasie – mówi Pasham.

Każda czarna dziura obraca się. Tempo tej rotacji zostało ukształtowane na przestrzeni czasu w wyniku różnych kosmicznych zdarzeń. Jeśli na przykład czarna dziura rosła głównie w wyniku akrecji – przypadków, gdy pochłaniała jakąś materię, to będzie obracać się z dużą prędkością. Z drugiej strony, jeśli czarna dziura rosła głównie w wyniku łączenia się z innymi czarnymi dziurami, to każde z takich połączeń spowolni rotację.

Astrofizycy już wcześniej przewidzieli, że dysk akrecyjny powstały w wyniku rozerwania pływowego może stanowić mierzalną sygnaturę rotacji czarnej dziury. - Ale kluczem były właściwe obserwacje. Jedynym sposobem, w jaki można to zrobić, to gdy tylko nastąpi rozerwanie pływowe, znaleźć teleskop, który nieustannie będzie spoglądał na obiekt, przez bardzo długi czas, co pozwoli badać wszelkiego rodzaju skale czasowe, od minut do miesięcy – mówi Pasham.

Przez ostatnie pięć lat Pasham wraz ze współpracownikami poszukiwał rozerwań pływowych, które są wystarczająco jasne i wystarczająco bliskie, aby je dokładnie śledzić. W lutym 2020 roku badacze natrafili na AT2020ocn, jasny błysk pochodzący z galaktyki oddalonej o około miliard lat świetlnych.

Z danych optycznych wynikło, że ​​błysk był pierwszym momentem po rozerwaniu pływowym. Naukowcy uznali go za doskonałego kandydata do poszukiwania oznak drgań dysku i ewentualnego pomiaru rotacji czarnej dziury. - Kluczem było wychwycenie zdarzenia na wczesnym etapie, ponieważ drgania dysku powinny wystąpić na początku zdarzenia. Później dysk nie będzie się już chybotał - podkreślił Pasham.

Badacze wychwycili początek rozerwania pływowego i obserwowali je przez kilka miesięcy, wykorzystując do tego należący do NASA teleskop NICER (Neutron Star Interior Composition ExploreR). To teleskop zamontowany na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, który mierzy promieniowanie rentgenowskie wokół czarnych dziur i innych obiektów o ekstremalnej grawitacji.

Analizując obserwacje poczynione w ciągu 200 dni od wykrycia, naukowcy odkryli, że emisje promieniowania z dysku akrecyjnego wydawały się osiągać szczyt co 15 dni przez kilka cykli, zanim ostatecznie zanikły. Zinterpretowali je jako momenty, w których dysk w wyniku zjawiska rozerwania pływowego chybotał się, emitując promieniowanie rentgenowskie bezpośrednio w kierunku teleskopu NICER. To na podstawie tego wzoru oraz szacunków masy czarnej dziury i rozerwanej gwiazdy, badacze byli w stanie oszacować tempo rotacji czarnej dziury.

Profesor A. Janiuk i Prof. B. Czerny współpracowały przy analizie konkurencyjnych modeli wyjaśnienia zjawiska, które w konfrontacji z danymi okazały się jednak mniej zadowalające, potwierdzając w ten sposób główny wynik.

Źródło: Massachusetts Institute of Technology, CFT PAN