Wyniki pomiaru spinu supermasywnej czarnej dziury oferują nowy sposób badania tych obiektów oraz ich ewolucji we Wszechświecie.
Astronomowie z MIT, NASA, PAN i innych instytucji opracowali nowy sposób pomiaru prędkości wirowania czarnej dziury, wykorzystując niestabilne następstwa po jej gwiezdnej uczcie.
Ta metoda wykorzystuje zjawisko rozerwania pływowego (TDE) czarnej dziury – niezwykle jasny moment, w którym czarna dziura wywiera wpływ grawitacyjny na przechodzącą w jej pobliżu gwiazdę i rozrywa ją na strzępy. Kiedy gwiazda zostaje rozerwana przez ogromne siły pływowe czarnej dziury, połowa gwiazdy zostaje wyrzucona, podczas gdy druga połowa opada na czarną dziurę, tworząc intensywnie gorący dysk akrecyjny wirującej materii gwiazdowej.
Zespół kierowany przez MIT wykazał, że chybotanie się nowo utworzonego dysku akrecyjnego jest kluczem do określenia naturalnego spinu centralnej czarnej dziury.
W artykule opublikowanym maja 2024 r. w czasopiśmie Nature astronomowie ogłosili, że udało im się zmierzyć spin pobliskiej supermasywnej czarnej dziury, śledząc wzór rozbłysków rentgenowskich wytworzonych przez czarną dziurę bezpośrednio po zdarzeniu rozerwania pływowego. Zespół śledził rozbłyski przez kilka miesięcy i ustalił, że były one prawdopodobnie sygnałem jasnego, gorącego dysku akrecyjnego, który kołysał się tam i z powrotem, gdy był pchany i ciągnięty przez spin czarnej dziury.
Śledząc, jak chybotanie dysku zmieniało się z czasem, naukowcy mogli ustalić, jak bardzo na dysk wpływał spin czarnej dziury, a tym samym jak szybko obracała się sama czarna dziura. Ich analiza wykazała, że czarna dziura wirowała z prędkością mniejszą niż 25% prędkości światła – stosunkowo wolno, jak na czarne dziury.
Główny autor badania, naukowiec MIT Dheeraj Pasham, twierdzi, że nowa metoda może zostać wykorzystana do pomiaru spinów setek czarnych dziur w lokalnym Wszechświecie w nadchodzących latach. Jeżeli naukowcy będą w stanie zbadać spin wielu pobliskich czarnych dziur, mogą zacząć rozumieć, w jaki sposób grawitacyjne olbrzymy ewoluowały w historii Wszechświata.
Badając kilka układów w nadchodzących latach za pomocą tej metody, astronomowie mogą oszacować ogólny rozkład spinów czarnej dziury i zrozumieć długotrwałe pytania, w jaki sposób ewoluują one w czasie – powiedział Pasham.
Współautorami badania są naukowcy z wielu instytucji, w tym NASA, Uniwersytetu Masaryka w Czechach, Uniwersytetu Leeds, Uniwersytetu w Syracuse, Uniwersytetu w Tel Awiwie, Polskiej Akademii Nauk i innych.
Rozdrobnione ciepło
Każda czarna dziura ma nieodłączny spin, który został ukształtowany przez jej kosmiczne spotkania w czasie. Jeżeli, na przykład, czarna dziura rozrosła się głównie w wyniku akrecji – krótkich momentów, w których pewna ilość materii spada na dysk, powoduje to, że czarna dziura wiruje z dość dużą prędkością. Z drugiej strony, jeżeli czarna dziura rośnie głównie poprzez łączenie się z innymi czarnymi dziurami, każda fuzja może spowolnić proces, ponieważ spin jednej czarnej dziury napotyka spin drugiej.
Gdy czarna dziura wiruje, ciągnie za sobą otaczającą ją czasoprzestrzeń. Ten efekt przeciągania jest przykładem efektu Lensego-Thirringa, długotrwałej teorii opisującej sposoby, w jakie niezwykle silne pola grawitacyjne, takie jak te generowane przez czarną dziurę, mogą przyciągać otaczającą przestrzeń i czas. Zwykle efekt ten nie byłby oczywisty w przypadku czarnych dziur, ponieważ masywne obiekty nie emitują światła.
Jednak w ostatnich latach fizycy zaproponowali, że w przypadkach takich jak zaburzenia pływowe, naukowcy mogą mieć szansę na śledzenie światła z gwiezdnych szczątków, gdy są one przeciągane. Następnie mogą mieć nadzieję na zmierzenie spinu czarnej dziury.
Naukowcy przewidują, że podczas zdarzenia rozrywania pływowego gwiazda może spaść na czarną dziurę z dowolnego kierunku, wytwarzając dysk rozgrzanego do białości, rozdrobnionego materiału. Dysk ten może być przekrzywiony lub przesunięty względem obrotu czarnej dziury. Kiedy dysk napotyka spin czarnej dziury, zaczyna się kołysać, ponieważ czarna dziura przyciąga go do siebie. Ostatecznie kołysanie ustaje, gdy dysk osiada w spinie czarnej dziury. Naukowcy przewidzieli, że kołyszący się dysk TDE powinien być mierzalnym sygnałem spinu czarnej dziury.
Kluczem były jednak odpowiednie obserwacje – powiedział Pasham. Jedynym sposobem, w jaki można to zrobić, jest uzyskanie teleskopu, który będzie patrzył na ten obiekt w sposób ciągły, przez bardzo długi czas, dzięki czemu można badać wszystkie rodzaje skal czasowych, od minut do miesięcy.
Przez ostatnie pięć lat Pasham poszukiwał zaburzeń pływowych, które są wystarczająco jasne i wystarczająco bliskie, aby szybko je śledzić w poszukiwaniu oznak efektu Lensego-Thirringa. W lutym 2020 roku jemu i jego kolegom poszczęściło się – wykryli AT2020ocn, jasny rozbłysk pochodzący z galaktyki oddalonej o około miliard lat świetlnych, który początkowo został dostrzeżony w paśmie optycznym prze Zwicky Transient Facility.
Z danych optycznych wynikało, że błysk był pierwszym momentem po TDE. Pasham podejrzewał, że będąc zarówno jasnym, jak i stosunkowo bliskim, TDE może być idealnym kandydatem do poszukiwania oznak chybotania dysku i być może pomiaru spinu czarnej dziury w centrum galaktyki macierzystej. Ale do tego potrzebowałby znacznie więcej danych.
Potrzebowaliśmy szybkich danych o wysokiej częstotliwości – powiedział Pasham. Kluczem było uchwycenie tego na wczesnym etapie, ponieważ ta precesja powinna być obecna tylko na wczesnym etapie. Później dysk przestałby się chwiać.
Zespół odkrył, że teleskop NICER (Neutron star Interior Composition ExploreR) zdołał wykryć zdarzenie TDE i obserwować je nieprzerwanie przez wiele miesięcy. NICER to teleskop rentgenowski na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, który monitoruje promieniowanie rentgenowskie w otoczeniu czarnych dziur i innych ekstremalnych obiektów grawitacyjnych.
Pasham i jego współpracownicy przeanalizowali obserwacje NICER AT2020ocn zebrane przez ponad 200 dni od pierwotnego wykrycia zdarzenia rozerwania pływowego. Odkryli, że zdarzenie emitowało promieniowanie rentgenowskie, które wydawało się osiągać minimum co 15 dni, przez kilka cykli, zanim ostatecznie wygasło. Zinterpretowali szczyty jako momenty, w których dysk akrecyjny TDE chybotał się przodem do nas, emitując promieniowanie rentgenowskie bezpośrednio w kierunku teleskopu NICER, a następnie zakołysał się, kontynuując emisję promieniowania rentgenowskiego.
Ich wyniki oznaczają, że naukowcy po raz pierwszy wykorzystali obserwacje kołyszącego się dysku po zdarzeniu rozerwania pływowego do oszacowania spinu czarnej dziury.
Czarne dziury są fascynującymi obiektami, a strumienie materii, które na nie opadają, mogą generować jedne z najjaśniejszych zdarzeń we Wszechświecie – powiedział współautor badania Chris Nixon, profesor nadzwyczajny fizyki teoretycznej na Uniwersytecie Leeds. Chociaż nadal wielu rzeczy nie rozumiemy, istnieją niesamowite obiekty obserwacyjne, które wciąż nas zaskakują i generują nowe ścieżki do zbadania. To zdarzenie jest jedną z takich niespodzianek.
Wraz z pojawieniem się nowych teleskopów, takich jak Rubin Observatory w nadchodzących latach, Pasham przewiduje więcej możliwości określenia spinów czarnych dziur.
Spin supermasywnej czarnej dziury mówi o jej historii – powiedział Pasham. Nawet jeżeli niewielki ułamek tych, które przechwyci Rubin, ma tego rodzaju sygnał, mamy teraz sposób na zmierzenie spinów setek TDE. Moglibyśmy wtedy wydać ważne oświadczenie na temat ewolucji czarnych dziur na przestrzeni wieków Wszechświata.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
MIT
