Кредит: CC0 Public Domain
У астрономов Массачусетского технологического института, НАСА и других организаций появился новый способ измерения скорости вращения черной дыры, используя шаткие последствия ее звездного пиршества.
Этот метод использует приливное разрушение черной дыры — невероятно яркий момент, когда черная дыра оказывает приливное воздействие на пролетящую звезду и разрывает ее в клочья. Когда звезда разрушается огромными приливными силами черной дыры, половина звезды уносится ветром, а другая половина разлетается вокруг черной дыры, образуя чрезвычайно горячий аккреционный диск вращающегося звездного материала.
Команда под руководством Массачусетского технологического института показала, что колебание недавно созданного аккреционного диска является ключом к определению собственного вращения центральной черной дыры.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature, астрономы сообщают, что они измерили вращение близлежащей сверхмассивной черной дыры, отслеживая характер рентгеновских вспышек, которые черная дыра произвела сразу после приливного разрушения.
Команда следила за вспышками в течение нескольких месяцев и определила, что они, вероятно, являются сигналом ярко-горячего аккреционного диска, который раскачивался взад и вперед, когда его толкало и тянуло собственное вращение черной дыры.
Отслеживая, как колебание диска менялось с течением времени, ученые смогли определить, насколько на диск влияет вращение черной дыры и, в свою очередь, насколько быстро вращается сама черная дыра. Их анализ показал, что черная дыра вращалась со скоростью менее 25 процентов скорости света — относительно медленно по сравнению с черными дырами.
Ведущий автор исследования, научный сотрудник Массачусетского технологического института Дирадж «ДиДжей» Пашам, говорит, что новый метод может быть использован для измерения вращений сотен черных дыр в локальной вселенной в ближайшие годы. Если ученые смогут изучить вращение многих близлежащих черных дыр, они смогут начать понимать, как гравитационные гиганты развивались на протяжении истории Вселенной.
«Изучая несколько систем с помощью этого метода в ближайшие годы, астрономы смогут оценить общее распределение вращений черных дыр и понять давний вопрос о том, как они развиваются с течением времени», — говорит Пашам, сотрудник Института астрофизики и астрофизики Кавли Массачусетского технологического института. Космические исследования.
В число соавторов исследования входят сотрудники из ряда учреждений, в том числе НАСА, Масариковского университета в Чехии, Университета Лидса, Сиракузского университета, Тель-Авивского университета, Польской академии наук и других стран.
Измельченное тепло
Каждая черная дыра обладает собственным вращением, которое с течением времени сформировалось в результате ее космических столкновений. Если, например, черная дыра выросла в основном за счет аккреции — кратковременные случаи, когда какое-то вещество падает на диск, это заставляет черную дыру вращаться до довольно высоких скоростей. Напротив, если черная дыра растет в основном за счет слияния с другими черными дырами, каждое слияние может замедлить процесс, поскольку вращение одной черной дыры встречается со вращением другой.
Вращаясь, черная дыра увлекает за собой окружающее пространство-время. Этот эффект сопротивления является примером прецессии Лензе-Тирринга, давней теории, описывающей способы, которыми чрезвычайно сильные гравитационные поля, например, создаваемые черной дырой, могут притягивать окружающее пространство и время. Обычно этот эффект не был бы очевиден вокруг черных дыр, поскольку массивные объекты не излучают света.
Но в последние годы физики предположили, что в таких случаях, как во время приливного разрушения или TDE, у ученых может быть возможность отслеживать свет от звездных обломков, когда он тянется вокруг. Затем они могли бы надеяться измерить вращение черной дыры.
В частности, во время TDE ученые предсказывают, что звезда может упасть на черную дыру с любого направления, образуя диск раскаленного добела измельченного материала, который может быть наклонен или смещен по отношению к вращению черной дыры. (Представьте себе аккреционный диск в виде наклоненного бублика, который вращается вокруг отверстия бублика, имеющего собственное, отдельное вращение.)
Когда диск сталкивается со вращением черной дыры, он раскачивается, поскольку черная дыра вытягивает его в нужное положение. В конце концов, колебание утихает, когда диск переходит во вращение черной дыры. Ученые предсказали, что колеблющийся диск TDE должен быть измеримым индикатором вращения черной дыры.
«Но главное — иметь правильные наблюдения», — говорит Пашам. «Единственный способ сделать это — как только произойдет приливное разрушение, вам нужно будет получить телескоп, чтобы смотреть на этот объект непрерывно, в течение очень долгого времени, чтобы вы могли исследовать все виды временных масштабов, от минут до месяцев».
Улов с высокой частотой
В течение последних пяти лет Пашам искал приливные разрушения, которые были бы достаточно яркими и достаточно близкими, чтобы быстро отслеживать и отслеживать признаки прецессии Лензе-Тирринга. В феврале 2020 года ему и его коллегам повезло: они обнаружили AT2020ocn, яркую вспышку, исходящую из галактики на расстоянии около миллиарда световых лет от нас, которая первоначально была обнаружена в оптическом диапазоне переходным комплексом Цвикки.
Судя по оптическим данным, вспышка произошла в первые мгновения после TDE. Будучи одновременно ярким и относительно близким, Пашем предположил, что TDE может быть идеальным кандидатом для поиска признаков колебания диска и, возможно, измерения вращения черной дыры в центре родительской галактики. Но для этого ему понадобится гораздо больше данных.
«Нам нужны были быстрые и частые данные», — говорит Пашам. «Главное заключалось в том, чтобы уловить это как можно раньше, потому что эта прецессия, или колебание, должна присутствовать только на раннем этапе. Чуть позже, и диск больше не будет колебаться».
Команда обнаружила, что телескоп НАСА NICER смог поймать TDE и постоянно следить за ним в течение нескольких месяцев. NICER — аббревиатура от «Внутренний состав нейтронной звезды ExploreR» — рентгеновский телескоп на Международной космической станции, который измеряет рентгеновское излучение вокруг черных дыр и других объектов с экстремальной гравитацией.
Пашам и его коллеги просмотрели наблюдения NICER за AT2020ocn в течение 200 дней после первоначального обнаружения приливного разрушения. Они обнаружили, что это событие испускало рентгеновские лучи, которые, казалось, достигали пика каждые 15 дней в течение нескольких циклов, прежде чем в конечном итоге исчезли.
Они интерпретировали пики как моменты, когда аккреционный диск TDE раскачивался лицом к лицу, излучая рентгеновские лучи прямо в сторону телескопа NICER, а затем отклонялся, продолжая излучать рентгеновские лучи (аналогично размахиванию фонариком в сторону и от кого-то каждые 15 дней). ).
Исследователи взяли эту модель колебаний и включили ее в оригинальную теорию прецессии Лензе-Тирринга. Основываясь на оценках массы черной дыры и разрушенной звезды, они смогли получить оценку вращения черной дыры — менее 25 процентов скорости света.
Их результаты ознаменовали собой первый случай, когда ученые использовали наблюдения за колеблющимся диском после приливного разрушения для оценки вращения черной дыры. Поскольку в ближайшие годы в эксплуатацию выйдут новые телескопы, такие как обсерватория Рубина, Пашам предвидит больше возможностей для определения вращения черной дыры.
«Вращение сверхмассивной черной дыры расскажет вам об истории этой черной дыры», — говорит Пашам. «Даже если небольшая часть тех, что запечатлел Рубин, имеет такой тип сигнала, теперь у нас есть способ измерить вращение сотен TDE. Тогда мы могли бы сделать большое заявление о том, как черные дыры развиваются с возрастом Вселенной. «
Информация от: Массачусетским технологическим институтом.
Эта история переиздана благодаря MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярному сайту, на котором освещаются новости об исследованиях, инновациях и преподавании MIT.
