Spitzer Telescope afslører den præcise timing af en sort hul-dans

Sorte huller er ikke stationære i rummet; faktisk, de kan være ret aktive i deres bevægelser. Men fordi de er helt mørke og ikke kan observeres direkte, de er ikke nemme at studere. Forskere har endelig fundet ud af det præcise tidspunkt for en kompliceret dans mellem to enorme sorte huller, afslører skjulte detaljer om de fysiske karakteristika af disse mystiske kosmiske objekter.

OJ 287-galaksen er vært for et af de største sorte huller, der nogensinde er fundet, med over 18 milliarder gange vores sols masse. I kredsløb om denne behemoth er endnu et sort hul med omkring 150 millioner gange Solens masse. To gange hvert 12. år, det mindre sorte hul styrter gennem den enorme gasskive, der omgiver dets større ledsager, skabe et lysglimt, der er klarere end en billion stjerner - lysere, også selvom, end hele Mælkevejsgalaksen. Lyset tager 3,5 milliarder år om at nå Jorden.

Men det mindre sorte huls bane er aflang, ikke cirkulær, og det er uregelmæssigt:Det skifter position med hver sløjfe omkring det større sorte hul og vippes i forhold til gasskiven. Når det mindre sorte hul styrter gennem disken, det skaber to ekspanderende bobler af varm gas, der bevæger sig væk fra skiven i modsatte retninger, og på mindre end 48 timer ser systemet ud til at firdoble i lysstyrke.

På grund af den uregelmæssige bane, det sorte hul kolliderer med skiven på forskellige tidspunkter under hver 12-års kredsløb. Nogle gange optræder blussene med så lidt som et års mellemrum; andre gange, med op til 10 års mellemrum. Forsøg på at modellere kredsløbet og forudsige, hvornår flammerne ville ske, tog årtier, men i 2010 forskere skabte en model, der kunne forudsige deres forekomst inden for omkring en til tre uger. De demonstrerede, at deres model var korrekt ved at forudsige udseendet af en opblussen i december 2015 inden for tre uger.

Derefter, i 2018, en gruppe videnskabsmænd ledet af Lankeswar Dey, en kandidatstuderende ved Tata Institute of Fundamental Research i Mumbai, Indien, udgivet et papir med en endnu mere detaljeret model, som de hævdede ville være i stand til at forudsige timingen af ​​fremtidige flares inden for fire timer. I en ny undersøgelse offentliggjort i Astrofysiske tidsskriftsbreve , disse videnskabsmænd rapporterer, at deres nøjagtige forudsigelse af en opblussen, der fandt sted den 31. juli, 2019, bekræfter, at modellen er korrekt.

Observationen af ​​den opblussen skete næsten ikke. Fordi OJ 287 var på den modsatte side af Solen fra Jorden, ude af syne af alle teleskoper på jorden og i kredsløb om jorden, det sorte hul ville ikke komme tilbage til disse teleskoper før i begyndelsen af ​​september, længe efter, at blusset var falmet. Men systemet var inden for synsvidde af NASAs Spitzer-rumteleskop, som styrelsen gik på pension i januar 2020.

Efter 16 års drift, rumfartøjets kredsløb havde placeret det 158 ​​millioner miles (254 millioner kilometer) fra Jorden, eller mere end 600 gange afstanden mellem Jorden og Månen. Fra dette udsigtspunkt, Spitzer kunne observere systemet fra den 31. juli (samme dag som blusset forventedes at dukke op) til begyndelsen af ​​september, når OJ 287 ville blive observerbar for teleskoper på Jorden.

"Da jeg første gang tjekkede synligheden af ​​OJ 287, Jeg var chokeret over at finde ud af, at det blev synligt for Spitzer lige den dag, hvor det næste udbrud var forudsagt at opstå, " sagde Seppo Laine, en associeret stabsforsker ved Caltech/IPAC i Pasadena, Californien, som overvågede Spitzers observationer af systemet. "Det var ekstremt heldigt, at vi ville være i stand til at fange toppen af ​​denne opblussen med Spitzer, fordi ingen andre menneskeskabte instrumenter var i stand til at opnå denne bedrift på det specifikke tidspunkt."

Ripples i rummet

Forskere modellerer regelmæssigt kredsløbene for små objekter i vores solsystem, som en komet, der går rundt om Solen, under hensyntagen til de faktorer, der vil have størst indflydelse på deres bevægelse. For den komet, Solens tyngdekraft er normalt den dominerende kraft, men tyngdekraften fra nærliggende planeter kan ændre deres vej, også.

At bestemme bevægelsen af ​​to enorme sorte huller er meget mere kompleks. Forskere skal tage højde for faktorer, der måske ikke mærkbart påvirker mindre objekter; de vigtigste blandt dem er noget, der kaldes gravitationsbølger. Einsteins generelle relativitetsteori beskriver tyngdekraften som forvridning af rummet af et objekts masse. Når et objekt bevæger sig gennem rummet, forvrængningerne bliver til bølger. Einstein forudsagde eksistensen af ​​gravitationsbølger i 1916, men de blev ikke observeret direkte før 2015 af Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO).

Jo større en genstands masse, jo større og mere energisk tyngdekraftsbølger skaber det. I EFT 287-systemet, forskere forventer, at gravitationsbølgerne er så store, at de kan transportere nok energi væk fra systemet til målbart at ændre det mindre sorte huls kredsløb – og derfor timingen af ​​udbrændingerne.

Mens tidligere undersøgelser af OJ 287 har taget højde for gravitationsbølger, 2018-modellen er den mest detaljerede endnu. Ved at inkorporere information indsamlet fra LIGOs detektion af gravitationsbølger, det forfiner vinduet, hvor en opblussen forventes at opstå, til kun 1 1/2 dag.

For yderligere at forfine forudsigelsen af ​​opblussen til kun fire timer, forskerne foldede detaljer om det større sorte huls fysiske egenskaber. Specifikt, den nye model inkorporerer noget, der kaldes "no-hair"-sætningen om sorte huller.

Udgivet i 1960'erne af en gruppe fysikere, der inkluderede Stephen Hawking, sætningen giver en forudsigelse om arten af ​​sorte huls "overflader". Selvom sorte huller ikke har ægte overflader, videnskabsmænd ved, at der er en grænse omkring dem, som intet - ikke engang lys - kan undslippe. Nogle ideer hævder, at den ydre kant, kaldet begivenhedshorisonten, kan være ujævn eller uregelmæssig, men no-hair-sætningen hævder, at "overfladen" ikke har sådanne træk, ikke engang hår (sætningens navn var en joke).

Med andre ord, hvis man skulle skære det sorte hul ned i midten langs dets rotationsakse, overfladen ville være symmetrisk. (Jordens rotationsakse er næsten perfekt på linje med dens nord- og sydpol. Hvis du skærer planeten i to langs den akse og sammenligner de to halvdele, du vil opdage, at vores planet for det meste er symmetrisk, selvom funktioner som oceaner og bjerge skaber nogle små variationer mellem halvdelene.)

Finde symmetri

I 1970'erne, Caltech professor emeritus Kip Thorne beskrev, hvordan dette scenarie - en satellit, der kredser om et massivt sort hul - potentielt kunne afsløre, om det sorte huls overflade var glat eller ujævn. Ved korrekt at forudse det mindre sorte huls bane med en sådan præcision, den nye model understøtter no-hair teoremet, hvilket betyder, at vores grundlæggende forståelse af disse utroligt mærkelige kosmiske objekter er korrekt. EUT 287-systemet, med andre ord, understøtter ideen om, at sorte huls overflader er symmetriske langs deres rotationsakser.

Så hvordan påvirker glatheden af ​​det massive sorte huls overflade tidspunktet for det mindre sorte huls bane? Den bane bestemmes for det meste af massen af ​​det større sorte hul. Hvis det blev mere massivt eller kastede noget af sin tyngde, det ville ændre størrelsen af ​​mindre sorte huls kredsløb. Men massefordelingen har også betydning. En massiv bule på den ene side af det større sorte hul ville forvrænge rummet omkring det anderledes, end hvis det sorte hul var symmetrisk. That would then alter the smaller black hole's path as it orbits its companion and measurably change the timing of the black hole's collision with the disk on that particular orbit.

"It is important to black hole scientists that we prove or disprove the no-hair theorem. Without it, we cannot trust that black holes as envisaged by Hawking and others exist at all, " said Mauri Valtonen, an astrophysicist at University of Turku in Finland and a coauthor on the paper.