Črne luknje upogibajo naše razumevanje Vesolja in zakonov fizike. Ko se črna luknja vrti, z njo vleče okoliški prostor in daje astronomom priložnost, da preučijo nekaj Einsteinovih napovedi o relativnosti.
Obstoj črnih lukenj je morda najbolj fascinantna napoved Einsteinove splošne teorije relativnosti. Ko katera koli masa, kot je zvezda, postane bolj kompaktna od določene meje, postane njena lastna gravitacija tako močna, da se objekt zruši do posamezne točke, črne luknje. V ljudskem umu je ta neizmerna gravitacijska vrtina kraj, kjer se dogajajo čudne stvari. Zdaj je ekipa pod vodstvom Centra za astrofiziko izmerila tako črno luknjo zvezdne mase, ki se je tako hitro vrtela - več kot 950 krat na sekundo - da je treba vrteti predvideno omejitev hitrosti.
"Rekel bi, da je ta režim gravitacije tako daleč od neposrednih izkušenj in spoznanja kot sam subatomski svet," pravi astronom CfA Jeffrey McClintock.
Z uporabo tehnike za merjenje spina, ki sta jo skupaj razvila McClintock in astrofizik CfA Ramesh Narayan, je ekipa uporabila NASA-jeve satelite Rossi-jev satelitski podatki X-ray Timing Explorer, da bi zagotovili najbolj neposredno določitev zatiranja črne luknje.
McClintock in Narayan sta vodila mednarodno skupino, ki jo je sestavljala Rebecca Shafee, oddelek za fiziko univerze na Harvardu; Ronald Remillard, Kavli Center za astrofizične in vesoljske raziskave, MIT; Shane Davis, kalifornijska univerza, Santa Barbara, in Li-Xin Li, Inštitut za astrofiziko Max-Planck, Nemčija, v tej raziskavi. Rezultati so objavljeni v današnji številki časopisa Astrofizika.
"Zdaj imamo natančne vrednosti za hitrost vrtenja treh črnih lukenj," pravi McClintock. "Najbolj navdušujoč je naš rezultat za mikrokvazar GRS1915 + 105, ki ima vrtenje, ki znaša med 82% in 100% teoretične največje vrednosti."
"Ta rezultat ima velike posledice za razlago, kako črne luknje oddajajo curke, za modeliranje možnih virov gama žarkov in za zaznavanje gravitacijskih valov," pravi teoretik Narayan.
Zakaj astronomi skrbijo za spin?
"V astronomiji črno luknjo v celoti opisujejo samo dve številki, ki določata njeno maso in kako hitro se vrti," pravi McClintock. "Ničesar drugega ne poznamo tako preprosto, razen za temeljne delce, kot sta elektron ali kvark."
Čeprav so astronomi uspešni pri merjenju mase črne luknje, so ugotovili, da je veliko težje izmeriti drugi temeljni parameter črne luknje, njeno vrtenje.
"Dejansko do letošnjega leta ni bilo verodostojnih ocen o zajetju črne luknje," pravi Narayan.
Gravitacija črne luknje je tako močna, da ko se črna luknja vrti, povleče okoliški prostor po njej. Rob te vrtajoče luknje se imenuje obzorje dogodkov. Vsak material, ki prečka obzorje dogodkov, se potegne v črno luknjo.
"Frekvenca vrtenja črne luknje, ki smo jo izmerili, je hitrost vrtenja prostora ali časa ali vlečenja, ravno na obzorju dogodka črne luknje," pravi Narayan.
Hitro črna luknja GRS 1915 je najbolj množična od 20 rentgenskih binarnih črnih lukenj, za katere je trenutno znana masa, tehta približno 14-krat več kot Sonce. Dobro je znana po edinstvenih lastnostih, kot so izlivanje curkov snovi s skoraj hitrostjo svetlobe in hiterimi spremembami njegove rentgenske emisije.
V zadnjih nekaj desetletjih so v rentgenskih binarnih sistemih odkrili na desetine črnih lukenj. Binarni žarek je sistem, v katerem dva predmeta krožita okoli drugega, pri čemer se plin iz ene - običajne zvezde, kot je Sonce - enakomerno prenaša v drugo - v tem primeru črna luknja. Plin se spiralira na črno luknjo s postopkom, imenovanim povečanje. Ko spiralno vstopi, se segreje na milijone stopinj in zrači rentgenske žarke. Skupina je uporabila rentgenski spekter navojnega diska črne luknje, da je določila njegovo vrtenje.
Tehnika temelji na ključni napovedi teorije relativnosti: plin, ki nastane na črni luknji, seva le navzdol do določenega polmera, ki leži zunaj črne luknje - zunaj njenega obzorja dogodka. Znotraj tega polmera plin prehitro pade v luknjo, da proizvede veliko sevanja. Kritični polmer je odvisen od vrtenja črne luknje, zato merjenje tega polmera zagotavlja neposredno oceno osi. Manjši kot je polmer, bolj vroči so rentgenski žarki, ki jih oddajajo iz diska. Temperatura rentgenskih žarkov skupaj s svetlostjo rentgenskih žarkov daje polmer, ki posledično daje hitrost vrtenja črne luknje.
"Zelo je kul, če bi lahko izmerili nekaj tako temeljnega," pravi Rebecca Shafee, ki je študentka na oddelku za fiziko na univerzi Harvard. „Naša metoda je pojem zelo preprosta in razumljiva. Resnično imamo srečo, da imamo v vesolju in teleskopih na Zemlji zmogljive rentgenske opazovalnike, kot je Rossijev rentgenski raziskovalec, za izvajanje meritev, ki jih potrebujemo. "
Pri rezultatih lahko pomagajo iskanju vzroka porušitve gama žarkov, ki so lahko za trenutek najsvetlejši utrip v vesolju. Teoretični astrofizik Stan Woosley s kalifornijske univerze v Santa Cruzu je modeliral eksplozije gama žarkov, ki temeljijo na sesutju ogromne zvezde. Ti modeli pa so odvisni od obstoja črnih lukenj z zelo visokim vrtenjem, ki do zdaj še niso bili nikoli potrjeni.
"To je izredno pomembno," pravi Woosley. "Nisem imel pojma, da je mogoče izvesti takšne meritve."
Prispevek zaključuje, da sta se GRS 1915 in druga dva črna luknja, ki ju je proučevala ekipa, rodila s svojimi visokimi zavrtinami. Se pravi, da je propadajoče jedro prvotne masivne zvezde svoj kotni zagon zlil navzdol v črno luknjo.
"Odkar je skupnost pred mnogimi leti ugotovila, kako izmeriti maso črnih lukenj, je bil merilni spin sveti gral na tem področju," pravi McClintock. „Tehnika, ki smo jo uporabili na GRS 1915, se lahko uporablja za številne druge rentgenske datoteke s črno luknjo. Komaj čakamo, da vidimo, kaj bomo našli! "
"Ena izmed naših upanja je, da bodo sisteme črne luknje, ki jih preučujemo, preučile tudi druge skupine z uporabo svojih najljubših metod merjenja vrtenja," pravi Narayan. "Ko se bodo te druge metode nadalje razvijale in postale bolj zanesljive, bi bila najbolj zanimiva primerjava rezultatov različnih metod."
Izvirni vir: CfA News Release
