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” (oznaczony 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 większych od horyzontu zdarzeń.

Jak te 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 soczewkowanie 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.