Černé díry ohýbají naše chápání vesmíru a fyzikální zákony. Když se černá díra otáčí, přitahuje okolní prostor kolem sebe a dává astronomům příležitost studovat některé Einsteinovy předpovědi o relativitě.
Existence černých děr je možná nejvíce fascinující predikce Einsteinovy obecné teorie relativity. Když se jakákoli hmota, jako je například hvězda, stane kompaktnější než určitá mez, její vlastní gravitace se stane tak silnou, že se objekt zhroutí do jediného bodu, černé díry. V populární mysli je tato ohromná gravitační studna místem, kde se dějí podivné věci. A nyní tým pro astrofyziku vedený tým změřil rotaci černé díry hvězdné hmoty tak rychle - otáčející se více než 950krát za sekundu - tak, že posouvá předpokládanou rychlostní limit pro rotaci.
"Řekl bych, že tento gravitační režim není ani zdaleka přímý zážitek a vědí jako samotný subatomický svět," říká astronom CfA Jeffrey McClintock.
Tím, že použil techniku k měření rotace vyvinutou společně McClintockem a CfA astrofyzikem Rameshem Narayanem, použil tým satelitní data NASA Rossi X-ray Timing Explorer, aby poskytla co nejpřímější určení rotace černé díry.
McClintock a Narayan vedli mezinárodní skupinu skládající se z Rebeccy Shafee, Harvard University Physics Department; Ronald Remillard, Kavli Centrum pro astrofyziku a vesmírný výzkum, MIT; Shane Davis, Kalifornská univerzita, Santa Barbara a Li-Xin Li, Max-Planckův institut pro astrofyziku, Německo, v tomto výzkumu. Výsledky jsou publikovány v dnešním vydání Astrophysical Journal.
"Nyní máme přesné hodnoty rychlosti odstřeďování tří černých děr," říká McClintock. "Nejzajímavější je náš výsledek pro mikrokvar GRS1915 + 105, který má rotaci, která se pohybuje mezi 82% a 100% teoretické maximální hodnoty."
"Tento výsledek má zásadní důsledky pro vysvětlení toho, jak černé díry emitují trysky, pro modelování možných zdrojů výbuchů gama paprsků a pro detekci gravitačních vln," říká teoretik Narayan.
Proč se astronomové starají o rotaci?
"V astronomii je černá díra úplně popsána pouhými dvěma čísly, která specifikují její hmotnost a jak rychle se točí," říká McClintock. "Víme o ničem jiném tak jednoduchém, kromě základní částice, jako je elektron nebo kvark."
Ačkoli astronomové byli úspěšní při měření hmotnosti černé díry, zjistili, že je mnohem obtížnější měřit druhý základní parametr černé díry, její rotaci.
"Až do letošního roku neexistoval žádný věrohodný odhad rotace žádné černé díry," říká Narayan.
Gravitace černé díry je tak silná, že se při otáčení černé díry táhne okolní prostor. Okraj této rotující díry se nazývá horizont událostí. Jakýkoli materiál překračující horizont události je vtažen do černé díry.
"Frekvence odstřeďování černé díry, kterou jsme měřili, je rychlost, jakou se časoprostor otáčí nebo je tažen přímo na horizontu události černé díry," říká Narayan.
Vysokorychlostní černá díra, GRS 1915, je nejmasivnější z 20 rentgenových binárních černých děr, pro které jsou hmoty v současnosti známé, vážící asi 14krát více než Slunce. Je dobře známa pro jedinečné vlastnosti, jako je vystřikování proudů hmoty při téměř rychlosti světla a rychlé změny jeho rentgenové emise.
V posledních několika desetiletích byly v rentgenových binárních systémech objeveny desítky černých děr. Rentgenový binární systém je systém, ve kterém dva objekty obíhají kolem sebe, přičemž plyn z jednoho - normální hvězda, jako je Slunce - se neustále přenáší na druhý - v tomto případě černá díra. Plyn spirály do černé díry procesem zvaným narůstání. Jak se točí, ohřívá se až miliony stupňů a vyzařuje rentgenové paprsky. Tým použil rentgenové spektrum akrečního disku černé díry k určení jeho rotace.
Tato technika je založena na klíčové predikci teorie relativity: plyn, který naráží na černou díru, vyzařuje pouze dolů do určitého poloměru, který leží mimo černou díru - mimo její horizont událostí. Uvnitř tohoto poloměru plyn padá do díry příliš rychle, aby produkoval velké množství záření. Kritický poloměr závisí na rotaci černé díry, takže měření tohoto poloměru poskytuje přímý odhad rotace. Čím menší je poloměr, tím teplejší jsou rentgenové paprsky, které jsou emitovány z disku. Teplota rentgenových paprsků spojená s jasem rentgenového záření dává poloměr, který zase dává rychlost rotace černé díry.
"Je opravdu skvělé, že je možné něco takového měřit," říká Rebecca Shafee, která je postgraduálním studentem katedry fyziky na Harvardské univerzitě. „Naše metoda je velmi jednoduchá a snadno pochopitelná. Máme opravdu štěstí, že máme k dispozici výkonné rentgenové observatoře, jako je Rossi X-ray Timing Explorer ve vesmíru a dalekohledy na Zemi, abychom mohli provádět potřebná měření. “
Hledání příčiny výbuchů gama paprsků, které mohou být na okamžik nejjasnějším zábleskem ve vesmíru, mohou pomoci výsledky týmu. Teoretický astrofyzik Stan Woosley z kalifornské univerzity v Santa Cruz vymodeloval výbuchy gama paprsků na základě zhroucení obrovské hvězdy. Tyto modely však závisí na existenci černých děr s velmi vysokou rotací, které dosud nebyly nikdy potvrzeny.
"To je nesmírně důležité," říká Woosley. "Neměl jsem tušení, že by se taková měření mohla provést."
Článek dospěl k závěru, že GRS 1915 a další dvě černé díry studované týmem se narodily s vysokými rotacemi. To znamená, že kolabující jádro původní masivní hvězdy nalilo svůj úhel hybnosti dolů do černé díry.
"Od té doby, co komunita přišla před mnoha lety na to, jak měřit hmotnost černé díry, bylo měření spinu v tomto oboru svatým grálem," říká McClintock. „Techniku, kterou jsme použili u GRS 1915, lze aplikovat na řadu dalších rentgenových binárních souborů s černými dírami. Nemůžeme se dočkat, až uvidíme, co najdeme! ““
"Jedním z našich nadějných nadějí je, že systémy černých děr, které studujeme, budou také studovány jinými skupinami pomocí svých oblíbených metod měření spinu," říká Narayan. "Jakmile budou tyto další metody dále rozvíjeny a budou spolehlivější, bude nejzajímavější křížové porovnání výsledků různých metod."
Původní zdroj: CfA News Release
