Przejdź do treści

Wirujące czarne dziury w kosmicznym morzu

img

Jak wiry w oceanie, rotujące czarne dziury w przestrzeni kosmicznej tworzą wokół siebie wirujące strumienie. Jednak czarne dziury nie tworzą wirów wiatru ani wody. Raczej generują dyski gazu i pyłu, podgrzane do temperatury setek milionów stopni, które świecą w promieniach X.

Wykorzystując dane z obserwatorium rentgenowskiego Chandra, astronomowie zastosowali nową technikę pomiaru spinu pięciu supermasywnych czarnych dziur. Materia w jednym z tych kosmicznych wirów rotuje wokół swojej czarnej dziury z prędkością większą niż 70% prędkości światła.

Astronomowie wykorzystali naturalne zjawisko, zwane soczewką grawitacyjną. Zgodnie z przewidywaniami Einsteina, przy odpowiednim ustawieniu, zakrzywienie czasoprzestrzeni przez masywny obiekt, taki, jak duża galaktyka, może powiększać i tworzyć wiele obrazów odległego obiektu.

W ostatnim badaniu astronomowie wykorzystali Chandrę i soczewkowanie grawitacyjne do badania pięciu kwazarów, z których każdy zawierał supermasywną czarną dziurę szybko pochłaniającą materię z otaczającego ją dysku akrecyjnego. Soczewkowanie grawitacyjne przez galaktykę światła z każdego z tych kwazarów stworzyło wiele obrazów każdego kwazara. Ostra zdolność obrazowania Chandry jest niezbędna do oddzielenia zwielokrotnionych soczewkowanych obrazów każdego kwazara.

Kluczowym postępem poczynionym przez naukowców w tym badaniu było to, że wykorzystali mikrosoczewkowanie, w którym to zjawisku pojedyncze gwiazdy w soczewkującej galaktyce zapewniły dodatkowe wzmocnienie światła z kwazara. Większe powiększenie oznacza, że mniejszy region wytwarza emisję promieniowania rentgenowskiego.

Później naukowcy wykorzystali tę właściwość, że wirująca czarna dziura ciągnie przestrzeń wokół siebie i pozwala, aby materia orbitowała bliżej niej niż jest to możliwe w przypadku niewirującej czarnej dziury. Dlatego mniejszy obszar emitujący odpowiadający ciasnej orbicie ogólnie implikuje szybko wirującą czarną dziurę. Autorzy pracy wyciągnęli wniosek z analizy mikrosoczewkowania, że promienie X pochodzą z tak małego regionu, co oznacza, że czarne dziury muszą szybko wirować.

Wyniki pokazały, że jedna z czarnych dziur w soczewkowanym kwazarze, zwanym krzyżem Einsteina (oznaczonym jako Q2237 na zdjęciu), wiruje z maksymalną (lub bliską maksymalnej możliwej) prędkością. Odpowiada to horyzontowi zdarzeń wirującemu z prędkością światła. Cztery inne badane czarne dziury wirowały z prędkością średnio około połowy tej maksymalnej.

Dla krzyża Einsteina emisja promieniowania rentgenowskiego pochodzi z części dysku mniejszej niż 2,5-krotność wielkości horyzontu zdarzeń, a dla pozostałych czterech kwazarów promienie X pochodzą z regionu od czterech do pięciu razy większego od horyzontu zdarzeń.

Jak czarne dziury mogą wirować tak szybko? Naukowcy uważają, że te supermasywne czarne dziury prawdopodobnie rosły, gromadząc większość swojej materii w ciągu miliardów lat z dysku akrecyjnego rotującego z podobną orientacją i kierunkiem wirowania. 

Wykryte przez Chandrę promieniowanie X powstaje, gdy dysk akrecyjny otaczający czarną dziurę tworzy obłok o temperaturze wielu milionów stopni lub koronę nad dyskiem w pobliżu czarnej dziury. Promienie X z tej korony odbijają się od wewnętrznej krawędzi dysku akrecyjnego, a mocne siły grawitacyjne w pobliżu czarnej dziury zniekształcają odbite widmo rentgenowskie. Duże zniekształcenia obserwowane w widmach rentgenowskich badanych kwazarów sugerują, że wewnętrzna krawędź dysku musi znajdować się blisko czarnych dziur, dając dalsze dowody, że muszą one szybko wirować.

Kwazary, o których mowa, znajdują się w odległościach od 9,8 do 10,9 mld lat świetlnych stąd, a czarne dziury mają masy od 160 do 500 mln razy większą niż Słońce. Obserwacje te były najdłuższymi w historii wykonanymi przez Chandra z soczewkowaniem grawitacyjnym kwazarów, o całkowitym czasie ekspozycji wynoszącym od 1,7 do 5,4 dnia.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
X-rays Spot Spinning Black Holes Across Cosmic Sea

Constraining Quasar Relativistic Reflection Regions and Spins with Microlensing

Źródło: Chandra

Na zdjęciu: Cztery kwazary, każdy posiadający supermasywną czarną dziurę szybko pochłaniającą materię z otaczającego ją dysku akrecyjnego.

Reklama