Międzynarodowy zespół astronomów po raz pierwszy zmierzył prędkość rotacji supermasywnej czarnej dziury za pomocą „chyboczącej” gwiezdnej materii. W przełomowym badaniu brały udział dwie uczone z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN.
Zespół astronomów z Massachusetts Institute of Technology, National Aeronautics and Space Administration (NASA), European Southern Observatory (ESO), Uniwersytetu Masaryka w Czechach, Uniwersytetu w Leeds, Uniwersytetu w Syracuse, Uniwersytetu w Tel Awiwie oraz Instytutu Fizyki Teoretycznej PAN opracował nowy sposób pomiaru prędkości rotacji czarnej dziury, wykorzystując „chyboczące” (ang. wobbling) pozostałości materiału gwiezdnego. W przełomowym badaniu wzięły udział prof. Bożena Czerny i prof. Agnieszka Janiuk z CFT PAN. Liderem projektu był dr Dheeraj „DJ” Pasham z MIT.
Opracowana metoda opiera się na zjawisku „rozerwania pływowego” (ang. tidal disruption event, TDE), które występuje w momencie, gdy pływy wywołane przez czarną dziurę i oddziałujące na zbliżającą się gwiazdę, powodują rozerwanie jej na strzępy. Połowa jej materii zostaje rozrzucona w przestrzeń, druga – ląduje wokół czarnej dziury, tworząc gorący dysk akrecyjny rotującej materii gwiezdnej. Chybotanie się nowo utworzonego dysku akrecyjnego jest kluczem do określenia naturalnej rotacji centralnej czarnej dziury.
„Rozdrobnione” ciepło
Każda czarna dziura ma nieodłączny spin (tzn. rotuje), na który miała wpływ jej historia. Jeśli na przykład czarna dziura rozrosła się głównie w wyniku akrecji – krótkich momentów, w których pewna ilość materiału spada na dysk, to w konsekwencji przyspieszała, osiągając dość dużą prędkość rotacji. Jeśli natomiast rośnie głównie poprzez łączenie się z innymi czarnymi dziurami, każda taka fuzja może powodować spowolnienie rotacji. Gdy czarna dziura wiruje, ciągnie za sobą otaczającą ją czasoprzestrzeń.
Takie przeciąganie jest przykładem efektu Lensego-Thirringa, pokazującego, jak ekstremalnie silne pola grawitacyjne, takie jak te generowane przez czarną dziurę, mogą przeciągać otaczającą czasoprzestrzeń. Zwykle efekt ten nie byłby oczywisty w przypadku czarnych dziur, ponieważ te masywne obiekty nie emitują światła. Jednak w ostatnich latach fizycy zaproponowali, że w przypadkach takich jak rozerwanie pływowe (TDE), naukowcy mogą mieć szansę na śledzenie światła z gwiezdnych pozostałości, gdy są one przeciągane. Daje to nadzieję na zmierzenie prędkości obrotu czarnej dziury.
Naukowcy przewidują, że podczas zjawiska TDE gwiazda może spaść na czarną dziurę z dowolnego kierunku, generując dysk rozgrzanego do białości, rozdrobnionego materiału, który może być przechylony lub poruszać się niezgodnie z kierunkiem rotacji czarnej dziury. Rotująca czarna dziura oddziałuje na rotujący dysk, dążąc do wyrównania ich rotacji i powodując chwianie się dysku. Ostatecznie chybotanie to ustępuje, gdy dysk osiąga prędkość rotacji czarnej dziury. Naukowcy przewidzieli, że chwiejący się w związku ze zjawiskiem TDE dysk, powinien być mierzalną sygnaturą rotacji czarnej dziury.
Kluczem były jednak odpowiednie obserwacje – podkreśla dr Pasham. – Jedynym sposobem, jakiego można tutaj użyć, jest obserwowanie teleskopem obiektu w sposób ciągły przez bardzo długi czas, dzięki czemu można badać różne skale czasowe, od minut do miesięcy – dodaje.
Przypadek z wysoką częstotliwością
Przez ostatnie pięć lat dr Pasham poszukiwał zjawisk rozerwania pływowego, które są wystarczająco jasne i wystarczająco bliskie, aby móc wystarczająco szybko zareagować i je zaobserwować, próbując znaleźć oznaki efektu Lensego-Thirringa. W lutym 2020 roku wykryli AT2020ocn, jasny rozbłysk pochodzący z galaktyki oddalonej o około miliard lat świetlnych.
Z danych optycznych wynikało, że błysk miał miejsce zaraz po wystąpieniu zjawiska TDE. W związku z tym, że błysk był zarówno jasny, jak i stosunkowo bliski, dr Pasham podejrzewał, że zjawisko TDE może być tutaj idealnym kandydatem do poszukiwania oznak chybotania się dysku i być może pomiaru tempa rotacji czarnej dziury w centrum galaktyki-gospodarza.
Potrzebowaliśmy danych zbieranych z dużą częstotliwością i szybko po wystąpieniu zjawiska – wspomina dr Pasham. – Kluczem było uchwycenie zjawiska na wczesnym etapie, ponieważ precesja lub chybotanie powinny być obecne tylko wtedy. Później dysk przestałby się chwiać.
Zespół odkrył, że teleskop NICER NASA był w stanie wychwycić zjawisko TDE i stale obserwować je przez wiele miesięcy. NICER (Neutron Star Interior Composition ExploreR) to teleskop rentgenowski na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, który mierzy promieniowanie rentgenowskie wokół czarnych dziur i innych ekstremalnych obiektów.
Zespół dr. Pashama przeanalizował obserwacje AT2020ocn prowadzone przez NICER przez 200 dni po początkowym wykryciu rozerwania pływowego. Odkryli, że zdarzenie emitowało promieniowanie rentgenowskie, które wydawało się osiągać maksimum co 15 dni, przez kilka cykli, zanim ostatecznie wygasło. Zinterpretowali te maksima jako momenty, w których dysk akrecyjny w wyniku zjawiska TDE chybotał się zwrócony w stronę obserwatora, emitując promieniowanie rentgenowskie bezpośrednio w kierunku teleskopu NICER, po czym efekt wygasał, kontynuując emisję promieniowania rentgenowskiego (podobnie jak machanie latarką w kierunku do i od obserwatora co 15 dni).
Naukowcy wykorzystali oryginalną teorię precesji Lensego-Thirringa do analizy opisanego wzoru chybotania. Opierając się na szacunkach masy czarnej dziury i rozerwanej gwiazdy, byli w stanie oszacować prędkość rotacji czarnej dziury – mniej niż 25 procent prędkości światła.
Po raz pierwszy naukowcy wykorzystali obserwacje chwiejącego się dysku po rozerwaniu pływowym gwiazdy do oszacowania prędkości rotacji czarnej dziury. Dr Pasham przewiduje, że w nadchodzących latach będzie więcej możliwości określenia prędkości rotacji czarnych dziur wraz z pojawieniem się nowych teleskopów.
Nowa metoda może zostać wykorzystana do pomiaru rotacji setek czarnych dziur w lokalnym Wszechświecie w nadchodzących latach. Badając za jej pomocą kilka układów, będzie można oszacować ogólny rozkład prędkości rotacji czarnych dziur i rozwikłać wieloletnią zagadkę – w jaki sposób ewoluują one w czasie – przekonuje dr Pasham z Kavli Institute for Astrophysics and Space Research w MIT.
Prof. Bożena Czerny i prof. Agnieszka Janiuk współpracowały z zespołem przy analizie konkurencyjnych modeli wyjaśnienia zjawiska, które w konfrontacji z danymi okazały się jednak mniej zadowalające, potwierdzając w ten sposób główny wynik.
źródło: MIT News, tłumaczenie: dr Anna Raiter-Smiljanic (CFT PAN)