A fekete lyukak megértik a világegyetem és a fizika törvényeinek megértését. Ahogy a fekete lyuk forog, magával húzza a környező teret, és lehetőséget ad a csillagászoknak, hogy tanulmányozzák Einstein relativitáselméletének néhány előrejelzését.
A fekete lyukak létezése talán a legérdekesebb előrejelzése Einstein általános relativitáselméletének. Amikor bármely tömeg, például egy csillag, egy bizonyos határnál kompaktabbá válik, a saját gravitációja olyan erős lesz, hogy a tárgy egy egyedi pontba, egy fekete lyukba zuhan. A népszerű gondolkodásmód szerint ez a hatalmas gravitációs kút olyan hely, ahol furcsa dolgok történnek. És most, az Asztrofizikai Központ vezette csapata olyan gyorsan mérte a csillagtömegű fekete lyuk forgását - másodpercenként több mint 950-szer fordult el -, hogy kitolja a forgatás előre jelzett sebességkorlátozását.
"Azt mondanám, hogy ez a gravitációs rendszer annyira távol van a közvetlen tapasztalatoktól és ismeretektől, mint maga a szubatómiai világ" - mondja Jeffrey McClintock CfA csillagász.
A McClintock és a CfA asztrofizikus Ramesh Narayan által közösen kifejlesztett módszer alkalmazásával a csapat a NASA Rossi X-ray Timing Explorer műholdas adatait használta, hogy még mindig meghatározhassák a fekete lyuk centrifugálását.
McClintock és Narayan vezettek egy nemzetközi csoportot, amely Rebecca Shafee-ből áll, a Harvardi Egyetem Fizikai Tanszékéből; Ronald Remillard, Kavli Asztrofizikai és Űrkutatási Központ, MIT; Ebben a kutatásban Shane Davis, a Kaliforniai Egyetem, Santa Barbara és Li-Xin Li, a Max-Planck Asztrofizikai Intézet, Németország. Az eredményeket az Astrophysical Journal mai kiadásában teszik közzé.
"Most pontos értékeink vannak a három fekete lyuk centrifugálási sebességének" - mondja McClintock. "A legizgalmasabb a GRS1915 + 105 mikrokvazár eredménye, amelynek centrifugálása az elméleti maximális érték 82% és 100% -a között van."
"Ez az eredmény nagy jelentőséggel bír annak magyarázatában, hogy a fekete lyukak hogyan sugározzák a fúvókákat, a gamma-sugárzás lehetséges forrásainak modellezésére és a gravitációs hullámok detektálására" - mondja Narayan elmélet.
Miért törődnek a csillagászok a centrifugálással?
"A csillagászatban egy fekete lyukat csak két szám jellemzi, amelyek meghatározzák a tömegét és annak forgási sebességét" - mondja McClintock. "Semmi másról nem tudunk ilyen egyszerűt, kivéve egy olyan alapszemcsét, mint egy elektron vagy kvarc."
Noha a csillagászok sikeresen mérik a fekete lyuk tömegét, sokkal nehezebbnek találták a fekete lyuk második alapvető paraméterének, a spinjének a mérését.
"Valójában ebben az évben nem volt hiteles becslés a fekete lyuk forgásáról" - mondja Narayan.
A fekete lyuk gravitációja olyan erős, hogy miközben a fekete lyuk forog, az áthúzza a környező teret. Ennek a forgó lyuknak a szélét eseményhorizontnak nevezzük. A rendezvényhorizonton áthaladó anyagokat a fekete lyukba húzzák.
"A fekete lyuk centrifugálási gyakorisága, amelyet mértünk, az az idő, ameddig a tér-idő forog, vagy húzódik, közvetlenül a fekete lyuk eseményhorizontján" - mondja Narayan.
A nagy sebességű fekete lyuk, a GRS 1915, a legtömegebb a 20 röntgenberendezésből álló bináris fekete lyukból, amelyekre jelenleg ismert tömegek vannak, súlya körülbelül 14-szerese a Napnak. Közismert olyan egyedi tulajdonságokkal, mint például az anyag fúvókáinak kisugárzása szinte a fénysebességgel és a röntgenkibocsátás gyors változásaival.
Az elmúlt néhány évtizedben tucatnyi fekete lyukat fedeztek fel a röntgen bináris rendszerekben. A röntgen-bináris egy olyan rendszer, amelyben két tárgy kering körül egymással, és az egyik gázból - egy normál csillagból, mint a Nap - folyamatosan átjut a másik - ebben az esetben egy fekete lyukba. A gáz a fekete lyukra spirálisan szaporodásnak nevezett eljárás útján spirálódik fel. Ahogy spirálba lép, több millió fokra felmelegszik és röntgen sugarakkal jár. A csapat a fekete lyuk akkreditációs korongának röntgenspektrumát használja a spin meghatározásához.
A technika a relativitáselmélet kulcsfontosságú előrejelzésén alapszik: a fekete lyukra felhalmozódó gáz csak egy bizonyos sugara felé sugárzik, amely a fekete lyuk és az eseményhorizonton kívül fekszik. Ezen a sugáron belül a gáz túl gyorsan esik a lyukba, hogy sok sugárzást keltsen. A kritikus sugarat a fekete lyuk centrifugája határozza meg, tehát ennek a sugaraknak a mérése a spin közvetlen becslését eredményezi. Minél kisebb a sugara, annál melegebb a lemezen kibocsátott röntgen. A röntgen sugarainak hőmérséklete és a röntgen fényereje párhuzamosan adja meg a sugarat, amely viszont a fekete lyuk centrifugálási sebességét adja meg.
"Nagyon jó, hogy megmérjük valamit, ami ezt az alapvető fontosságú" - mondja Rebecca Shafee, aki a Harvard Egyetem Fizikai Tanszékének posztgraduális hallgatója. „Módszerünk fogalma nagyon egyszerű és könnyen érthető. Nagyon szerencsések vagyunk, hogy nagy röntgen-megfigyelőközpontokkal, például a Rossi röntgen-időzítés-felfedezővel rendelkezünk az űrben, és a Földön lévő távcsövekkel elvégezzük a szükséges méréseket. ”
A csapat eredményei segíthetnek a gamma-sugárzás okozta ok keresésében, amely egy pillanatra a világegyetem legfényesebb vakuja lehet. Stan Woosley, a kaliforniai Santa Cruzi Egyetem elméleti asztrofizikusa egy hatalmas csillag összeomlása alapján gamma-sugárzás-modelleket modellezett. Ezek a modellek azonban attól függnek, hogy léteznek-e olyan fekete lyukak, amelyek nagyon magas centrifugálással rendelkeznek, amelyeket eddig még soha nem erősítettek meg.
„Ez rendkívül fontos - mondja Woosley. "Fogalmam sem volt, hogy ilyen méréseket lehet végezni."
A cikk arra a következtetésre jut, hogy a GRS 1915 és a másik két fekete lyuk, amelyet a csapat tanulmányozott, nagy pörgetéssel született. Vagyis az eredeti hatalmas csillag összeomló magja szögletét leöntte a fekete lyukba.
"Mióta a közösség évekkel ezelőtt kitalálta, hogyan kell mérni a fekete lyuk tömegét, a spin mérése volt a Szent Grál ezen a területen" - mondja McClintock. „Az a módszer, amelyet a GRS 1915-en használtunk, alkalmazható számos más fekete lyukú röntgenfényű binárison is. Alig várhatjuk meg, hogy megnézzük, amit találunk! '”
"Az egyik reményünk az, hogy az általunk vizsgált fekete lyuk rendszereket más csoportok is meg fogják vizsgálni, a kedvenc spinmérési módszereikkel" - mondja Narayan. "Amint ezeket a többi módszert tovább fejlesztik és megbízhatóbbá válnak, a különféle módszerek eredményeinek összehasonlítása lenne a legérdekesebb."
Eredeti forrás: CfA sajtóközlemény
