Nowy sposób pomiaru rotacji czarnych dziur

Czasami astronomowie mają szczęście i są świadkami wydarzenia, które mogą obserwować, aby dowiedzieć się, jak ewoluują właściwości niektórych z najbardziej masywnych obiektów we wszechświecie. Miało to miejsce w lutym 2020 r., kiedy zespół międzynarodowych astronomów kierowany przez Dheeraja (D.J.) Bashama z MIT odkrył szczególnego rodzaju ekscytujące wydarzenie, które pomogło im śledzić prędkość, z jaką po raz pierwszy wirowała supermasywna czarna dziura.

Doktor Basham odkrył AT2020ocn, jasny błysk uchwycony przez obiekt Zwicky Transient Facility w Obserwatorium Palomar. Pomyślał, że może to wskazywać na zaburzenie pływowe (TDE). W tych ekstremalnych zdarzeniach czarna dziura rozrywa gwiazdę. Część pozostałości gwiazdy ucieka z czarnej dziury, ale druga część wpada do dysku akrecyjnego. To, jak spada, może okazać się kluczem do zrozumienia, w jaki sposób czarna dziura się obraca.

Sposób akrecji tego dysku przypisuje się teorii kosmologicznej zwanej precesją Lensa-Thuringa, która wyjaśnia, w jaki sposób czasoprzestrzeń jest zniekształcana przez silne pola grawitacyjne, takie jak te występujące wokół czarnych dziur. Teoria Lensa-Thuringa przewiduje, że dysk akrecyjny powstały po TDE będzie „kołysał się” wkrótce po zdarzeniu, zanim ułoży się w bardziej regularny układ materii krążącej wokół czarnej dziury. Kluczem będzie wykrycie zdarzenia TDE bardzo wcześnie po jego wystąpieniu, a następnie obserwowanie wynikającej z niego „oscylacji” przez tak długi okres czasu, jak to możliwe.

Zatem złapanie AT2020ocn było dopiero pierwszym krokiem, a potem autorzy musieli go monitorować, najlepiej przez kilka miesięcy. W tym celu wykorzystali Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER), teleskop rentgenowski zamontowany na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. NICER monitorował galaktykę zawierającą AT2020ocn przez 200 dni bezpośrednio po jasnym błysku uchwyconym przez Zwicky'ego.

Zaczęli dostrzegać pewien wzór. Co 15 dni ilość promieni rentgenowskich emitowanych wokół czarnej dziury gwałtownie osiągała szczyt, wskazując na możliwe poszukiwane „oscylacje”. Podłączając tę ​​częstotliwość do równań teorii Lensa-Thuringa, wraz z szacunkami masy gwiazdy i masy czarnej dziury, ustalili, że czarna dziura obraca się z prędkością 25% prędkości światła, co w rzeczywistości jest stosunkowo powolne jak na czarna dziura. .

Prędkość obrotowa czarnej dziury może się zwiększać lub zmniejszać w zależności od jej lokalnego otoczenia. W miarę pochłaniania większej ilości materiału, zwykle w postaci materiału z dysku akrecyjnego, w który wpada, jego prędkość obrotowa wzrasta. Z drugiej strony, jeśli zderzy się z inną czarną dziurą, ogólna prędkość obrotowa może spaść, ponieważ rotacje dwóch czarnych dziur mogą być przeciwne. Wydaje się, że tak właśnie stało się z czarną dziurą, która spowodowała AT2020ocn TDE, biorąc pod uwagę jej stosunkowo małą prędkość w porównaniu z innymi czarnymi dziurami.

Wyniki tych prac opublikowano niedawno w artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature. Potencjalnie położy to również podwaliny pod obliczenia rotacji innych supermasywnych czarnych dziur w galaktyce. Dr Basham wierzy, że astronomowie mogą obliczyć spin setek czarnych dziur, otwierając wgląd w ich powstawanie i cykl życia.

Ale żeby tego dokonać, nadal będą potrzebować dużo szczęścia. TDE są stosunkowo rzadkimi zdarzeniami i nawet jeśli mają miejsce, istnieją wyraźne ograniczenia zasobów w zakresie czasu pracy teleskopu. Obserwatorium Vera Rubin mogłoby się przydać, ponieważ będzie obserwowało duże fragmenty nieba, ale jego uruchomienie planowane jest dopiero w połowie przyszłego roku. Do tego czasu osoby zainteresowane śledzeniem rotacji czarnej dziury będą musiały polegać na przypadku, aby znaleźć rzadkie zdarzenie i mieć wystarczająco dużo czasu, aby je zaobserwować.

Ucz się więcej:
Instytut Technologii w Massachusetts – Wykorzystując oscylującą materię gwiazdową, astronomowie po raz pierwszy mierzyli spin supermasywnej czarnej dziury
Basham i in. – Inicjatywa Lensa-Thuringa po tym, jak supermasywna czarna dziura zakłóca działanie gwiazdy
UT – Czarne dziury uwalniają wiązki cząstek, zmieniając w czasie cele
UT – Czarna dziura w Drodze Mlecznej obraca się z największą możliwą prędkością

Główny obraz:
Artystyczne przedstawienie tego, jak dysk akrecyjny wokół czarnej dziury oscyluje z częstotliwością podczas wirowania i jak te oscylacje mogą zostać wykryte przez czujnik w pobliżu Ziemi.
Twórcy: Michał Zającek i Deraj Basham