Dokonano pomiaru rotacji supermasywnej czarnej dziury

Międzynarodowa grupa badawcza, złożona z naukowców z 58 instytutów naukowych, zmierzyła spin supermasywnej czarnej dziury, czyli jej tempo obrotu dookoła własnej osi. W gronie badaczy byli polscy astronomowie z kilku placówek z naszego kraju.

Zbadany obiekt to supermasywna czarna dziura w kwazarze OJ 287, który znajduje się 3,5 miliarda lat świetlnych od nas. Czarna dziura w centrum tego kwazara ma aż 18 miliardów mas Słońca. Jej wyznaczone tempo rotacji wynosi jedną trzecią maksymalnej wartości dopuszczalnej przez ogólną teorię względności, a opisywanej tzw. parametrem Kerra.

Aby zebrać dane do analizy, naukowcy zorganizowali dużą kampanię obserwacyjną, w której wzięło udział ponad 20 teleskopów optycznych. Za koordynację kampanii odpowiedzialny był prof. Stanisław Zoła z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego. Obserwacje prowadziło ponad 50 osób z Japonii, Korei Południowej, Indii, Turcji, Grecji, Finlandii Niemiec, Wielkiej Brytanii, Hiszpanii, Stanów Zjednoczonych, Meksyku oraz z Polski, a w gronie tym byli także miłośnicy astronomii posiadający własne teleskopy wyposażone w kamery CCD. Dodatkowo obserwacje były prowadzone także za pomocą znajdującego się w kosmosie i należącego do NASA teleskopu rentgenowskiego Swift.

W przypadku Polski udział w kampanii wzięli udział obserwatorzy z Uniwersytetu Pedagogicznego (obserwatorium na Suhorze), z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego, a także doktorant z Zielonej Góry, który wykonywał obserwacje na Suhorze i zdalnie w Turcji.

Oprócz bieżących obserwacji udało się także zebrać wiele danych archiwalnych, bowiem kwazar leży bardzo blisko trasy Słońca podczas jego ruchu po sferze niebieskiej (patrząc z Ziemi), a to właśnie ten rejon przeszukują różne projekty związane z planetoidami i kometami, dzięki czemu dostępne są dane fotometryczne od ponad 100 lat.

Co takiego dowiedziano się o kwazarze? Analizy danych wskazują, że obiekt OJ 287 cechuje się prawie periodycznymi wybuchami (pojaśnieniami) w zakresie widzialnych, które następują od 1981 roku co około 12 lat. Najnowsze dane obserwacyjne pokazują dodatkowo występowanie dwóch maksimów w trakcie pojaśnień.

Postanowiono opracować model, który wytłumaczyłby obserwowane efekty. Zajęła się tym grupa, którą kierował prof. Mauri Valtonen z Uniwersytetu w Turku w Finlandii. Opracowany model sugeruje, że mamy do czynienia z dwoma supermasywnymi czarnymi dziurami różniącymi się masą. Jedna ma masę 18 miliardów mas Słońca i jest otoczona dyskiem akrecyjnym złożonym z materii stopniowo opadającej na czarną dziurę. Druga natomiast jest zdecydowanie mniej masywna, ma "zaledwie" 150 milionów mas Słońca i krąży po orbicie wokół swojej masywniejszej towarzyszki. Dzięki wskazaniom modelu, z uwzględnieniem ogólnej teorii względności, można przewidzieć kiedy powinno nastąpić podwójne pojaśnienie.

Celem kampanii obserwacyjnej było sprawdzenie czy przewidywania te się sprawdzą. Okazało się, że tak - pojaśnienie rozpoczęło się około około 18 listopada 2015 r. i uzyskało maksimum 4 grudnia 2015 r. Ustalenie momentu rozbłysku pozwoliło na określenie spinu masywniejszej z czarnych dziur.

Publikacja w czasopiśmie naukowym "The Astrophysical Journal Letters" wskazuje też, że obserwacje potwierdziły, że utrata energii orbitalnej przez układ jest zgodna z ogólną teorią względności na poziomie dokładności 2 procent. Oznacza to, że zweryfikowano ogólną teorię względności z takim właśnie błędem.

Oto lista polskich autorów publikacji: Stanisław Zoła (OA UJ oraz Obserwatorium Astronomiczne na Suhorze), Bartłomiej Dębski (OA UJ), Marek Dróżdż (Obserwatorium Astronomiczne na Suhorze), Waldemar Ogłoza (Obserwatorium Astronomiczne na Suhorze), Michał Siwak (Obserwatorium Astronomiczne na Suhorze), Michał Żejmo (Instytut Astronomii Uniwersytetu Zielonogórskiego). Na liście znajduje się także Toma Tomov, Bułgar pracujący w Centrum Astronomii UMK.

Na zakończenie warto wspomnieć, że kampania obserwacyjna nadal trwa i obecnie uczestniczy w niej 12 teleskopów z obserwatoriów instytucjonalnych oraz kilku miłośników astronomii. Model przewiduje, że kolejne rozbłyski kwazara powinny pojawić się w 2019 i 2022 roku.

Więcej informacji:

Źródło: Tata Institute of Fundamental Research / EurekAlert

Na ilustracji u góry:
Schemat układu dwóch czarnych dziur w kwazarze OJ 287. Rys.: Martin Mobberley.



Orbita drugiej (mniej masywnej) z supermasywnych czarnych dziur w kwazarze OJ 287 w latach 2000-2023. Rys.: Valtonen et al. / ApJ Letters.




Optyczna fotometria kwazara OJ 287 z okresu od października do grudnia 2015 r. Pomiary w paśmie optycznym R (czerwone kwadraty) względem gwiazdy porównania GSC 1400-222. Linia przedstawia model teoretyczny. Rys.: Valtonen et al. / ApJ Letters.